[發(fā)明專利]一種多元復(fù)合納米材料、其制備方法及其用途

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310058693.5
• 申請(qǐng)日: 2013-02-25
• 公開（公告）號(hào): CN103117175A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚強(qiáng)強(qiáng);徐宇興
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所
• 主分類號(hào): H01G11/32
• 分類號(hào): H01G11/32;H01G11/46;H01G11/48;H01G11/86
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電化學(xué)及納米復(fù)合材料領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種多元復(fù)合納米材料、其制備方法及其用途。

背景技術(shù)

近年來(lái)，為了解決全球資源和能源日漸枯竭，人類生態(tài)環(huán)境日益惡化等問(wèn)題，現(xiàn)代社會(huì)要求大規(guī)模使用能量密度高，功率密度大，環(huán)境友好型的儲(chǔ)能裝置，使得超級(jí)電容器的研究成為世界各國(guó)科研工作者關(guān)注的一個(gè)重要課題。電極材料是影響超級(jí)電容器性能的主要因素之一，只有開發(fā)出高性能的電極材料才能生產(chǎn)出高性能的超級(jí)電容器。目前對(duì)單一碳材料，金屬氧化物材料，導(dǎo)電聚合物材料以及簡(jiǎn)單二元復(fù)合材料研究的比較多，而綜合性能優(yōu)異的三元或者多元復(fù)合材料報(bào)道還很少。

碳材料超級(jí)電容器具有高的比表面積、良好的導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)，是一種比較成熟的，商業(yè)化的超級(jí)電容器電極材料，但它同時(shí)存在比容量較低，不適合大電流充放電等缺點(diǎn)，限制了其在諸多領(lǐng)域的發(fā)展。金屬氧化物具有較高的比容量和能量密度，其性能優(yōu)于碳材料，但它的導(dǎo)電性不好，循環(huán)壽命短，且價(jià)格昂貴。導(dǎo)電聚合物具有導(dǎo)電性好，工藝簡(jiǎn)單和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，且具有較高的工作電壓，能夠提供較高的能量密度，但它的比容量和穩(wěn)定性能還有待提高，且該材料循環(huán)性能較差，無(wú)法滿足實(shí)用化的需求。

功率密度和能量密度是衡量電能儲(chǔ)存裝置的兩個(gè)最重要的指標(biāo)。超級(jí)電容器與二次電池相比較，在功率密度和循環(huán)壽命方面較二次電池具有明顯優(yōu)勢(shì)，但超級(jí)電容器的能量密度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋰離子電池。因此，超級(jí)電容器在對(duì)能量密度要求較高的場(chǎng)合還不能替代鋰離子電池。高能量密度是目前對(duì)超級(jí)電容器性能提出的最迫切要求。如果超級(jí)電容器能夠具備和鋰離子電池一樣高的能量密度，那么將在許多領(lǐng)域取得更廣泛的應(yīng)用。

E=1/2CV²是計(jì)算超級(jí)電容器能量密度的公式，通過(guò)該公式我們可以發(fā)現(xiàn)兩種提高超級(jí)電容器的能量密度的方法：一種是提高超級(jí)電容器的容量（C），另外一種是提高超級(jí)電容器的工作電壓（V）。而超級(jí)電容器的容量（C）可以通過(guò)復(fù)合高比容量的金屬氧化物材料，最終達(dá)到提高超級(jí)電容器容量的目的。而電容器的工作電壓（V）可以通過(guò)復(fù)合具有高電位的導(dǎo)電聚合物材料得以有效的提高。

CN1388540A公開了一種碳納米管復(fù)合電極超大容量電容器，所述電容器采用六種材料制備：碳納米管與過(guò)渡金屬氧化物復(fù)合物、碳納米管與導(dǎo)電聚合物系列復(fù)合物、碳納米管與過(guò)渡金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物同時(shí)復(fù)合產(chǎn)物、碳納米管與過(guò)渡金屬氧化物、活性炭系列同時(shí)復(fù)合產(chǎn)物、碳納米管與導(dǎo)電聚合物系列、活性炭系列同時(shí)復(fù)合產(chǎn)物或碳納米管與過(guò)渡金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物、活性炭系列同時(shí)復(fù)合產(chǎn)物。但是該專利所用的金屬氧化物僅為鎳和錳的氧化物，在復(fù)合材料的組成上有很大局限，而且上述專利沒(méi)有考察復(fù)合納米材料的電化學(xué)性能，使其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性受到阻礙。

CN102280263A公布了以作為電極的電化學(xué)電容器，所述電容器所用的電極材料為碳納米管/氧化錳復(fù)合材料，制備過(guò)程中依次采用磁控濺射和化學(xué)氣相沉積的方法來(lái)制備該復(fù)合材料，但是該專利不僅成本高，制備工藝復(fù)雜，而且不宜實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

因此，采用簡(jiǎn)單且成本低的方法制備一種具有高功率密度、良好循環(huán)穩(wěn)定性能和相對(duì)較高能量密度的復(fù)合電極材料是所屬領(lǐng)域的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種多元復(fù)合納米材料。該復(fù)合納米材料使不同類型電極材料之間產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，優(yōu)勢(shì)相互結(jié)合，缺陷相互減弱，同時(shí)發(fā)揮雙電層電容和贗電容儲(chǔ)能特性，具有高功率密度、良好循環(huán)穩(wěn)定性能和相對(duì)較高能量密度，滿足實(shí)用化的要求。

所述多元復(fù)合納米材料包括碳材料、金屬含氧化合物和導(dǎo)電聚合物中的2種或3種，其中所述金屬含氧化合物為金屬氧化物和/或金屬氫氧化物。

優(yōu)選地，所述多元復(fù)合納米材料由碳材料、金屬含氧化合物和導(dǎo)電聚合物中的2種或3種組成，其中所述金屬含氧化合物為金屬氧化物和/或金屬氫氧化物。

所述多元復(fù)合納米材料的組成實(shí)例可以為碳材料/金屬氧化物、碳材料/金屬氫氧化物、碳材料/金屬氧化物/金屬氫氧化物、碳材料/金屬氧化物/導(dǎo)電聚合物、碳材料/金屬氫氧化物/導(dǎo)電聚合物、碳材料/金屬氧化物/金屬氫氧化物/導(dǎo)電聚合物、碳材料/導(dǎo)電聚合物、金屬氧化物/導(dǎo)電聚合物、金屬氫氧化物/導(dǎo)電聚合物、金屬氧化物/金屬氫氧化物/導(dǎo)電聚合物等。在本發(fā)明中，除非有特殊說(shuō)明，“/”意為“和”。

在所述多元復(fù)合納米材料中，碳材料、金屬含氧化合物和導(dǎo)電聚合物的含量可由所屬領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)其掌握的專業(yè)知識(shí)和實(shí)際需要確定。