[發明專利]一種基于納米多孔鈦骨架的超級電容器材料的制備工藝

有效

• 申請號: 201310284968.7
• 申請日: 2013-07-08
• 公開（公告）號: CN103346027A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 司鵬超;樊軍鵬;邊秀房;張洪杰
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/24;H01G11/30
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 楊琪

技術領域

本發明涉及一種基于納米多孔鈦骨架的金屬氧化物超級電容器的制備，屬于功能復合材料的制備技術領域。

背景技術

隨著科技的進步，社會的發展，人們對清潔能源的需求越來越迫切。為了解決化石能源日趨短缺帶來的能源危機以及化石能源過度使用造成的環境污染，新型能源裝置研究受到廣泛關注。

超級電容器，又稱為雙電層電容器、電化學電容器，其性能依賴于組成電容器的電極活性材料。與燃料電池、鋰離子電池、化學二次電池相比，超級電容器功率密度非常高、循環壽命長，并具有充放電速度快、效率高、對環境無污染、使用溫度范圍寬、安全性高等特點。與可充電電池相比，充放電次數可達10⁶次以上，因此超級電容器不但具有電容的特性，同時也具有電池的特性，是一種介于電池和電容之間的新型元器件。諸多優點使得超級電容器具有廣闊的應用前景。

超級電容器的能量存儲是通過在電極/電解液界面發生非法拉第的表面離子吸附而形成雙電層（也稱為雙電層超級電容器），或/和發生快速法拉第表面氧化還原反應（也稱為贗電容器）。贗電容是電活性物質進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸附/脫附或氧化/還原反應，產生與充電電位有關的電容。目前采用的電極材料主要有：各種形態的碳材料，過渡金屬氧化物和導電聚合物。研究一種高性能的超級電容器有利于實用化推廣。

發明目的

本發明的目的在于提供一種基于納米多孔鈦骨架的超級電容器材料的制備工藝，制備出具有高的性價比的電容器。

本發明采取的技術方案為：

一種基于納米多孔鈦骨架的超級電容器材料的制備工藝，包括步驟如下：

（1）Cu-Ti非晶制備：將Cu和Ti進行真空熔煉，澆鑄成合金錠，其中Ti的原子比為20%-30%。而后用單輥真空甩帶機制備成Cu-Ti非晶條帶；

（2）將制得的Cu-Ti非晶置于配制好的硝酸溶液中（濃度1-8mol/L），加0.5-1.5V的恒電位進行電化學腐蝕，時長為1-4h，獲得納米多孔鈦結構。而后置于濃硝酸中4-72h，在25℃條件下改善納米孔形貌。

（3）將濃度為0.01-0.1mol/L的醋酸錳和濃度為0.05-0.1mol/L的醋酸鈉，混合配制成混合水溶液；

（4）電化學沉積MnO₂：將納米多孔鈦結構置于醋酸錳與醋酸鈉的混合溶液中，采用0.65-0.85V恒電位沉積，時間為10s-200s；或者將電壓窗口控制在0.1-1.4V之間某個區間上循環伏安法掃描，掃描速度為30-60mV/s，循環圈數為1-20圈。

步驟（2）所述的電化學方法為加0.5V-1.5V的恒電位，優選1V，腐蝕時間優選3h；所述的硝酸溶液濃度1-8mol/L；優選5-6mol/L。

步驟（3）優選0.02mol/L醋酸錳和0.1mo/L醋酸鈉混合。

步驟（4）所述的循環伏安法掃描優選電壓在0.5-1.2V之間。

本發明方法以Cu-Ti非晶為前驅體，通過脫合金方法獲得納米多孔鈦結構，再采用電化學沉積的方法對多孔鈦襯底進行表面功能化修飾，通過擔載可控數量的MnO₂制備出一系列具有電容性能、可控表層結構的納米多孔復合材料，而后制備成元器件獲得成品。金屬鈦是一種良好的結構材料，化學性質穩定，具有良好的耐高溫、耐低溫、抗強酸、抗強堿的性能，并且鈦的密度小，比強度高。優異的機械性能和良好地化學穩定性使其成為理想的超級電容器基體材料。與石墨等炭基體材料和貴金屬基體材料相比，納米多孔鈦具有較高的強度及低廉的原料成本。MnO₂有高的儲能性能，來源廣，化學性能穩定，環境友好的特點。

相較于現有技術，本發明的優勢在于選取輕質材料Ti作為電極骨架，在保持較好的機械性能的前提下減輕了基體重量。并且制備的納米多孔結構具有大的比表面積，低的密度，平均孔徑在40-100nm左右，使沉積上的MnO₂不易脫落。相較于涂覆法，采用電化學方法直接在Ti基體表面生成MnO₂，省去了后續的熱分解過程。并且通過恒電位沉積時間或循環沉積圈數可以更精準控制MnO₂的沉積量。MnO₂與Ti的直接附著提高了電子的傳導效率，使得電極表現出高的比容量，良好的循環穩定性，具有廣闊的實用價值。

附圖說明

圖1為本發明制備的多孔鈦骨架和電化學沉積MnO₂后的掃描電鏡形貌對比；（a）多孔鈦骨架，(b)為沉積MnO₂后的形貌;