[發明專利]一種MnCo2O4/Co2(OH)3Cl復合材料的水系不對稱型超級電容器及其制備方法

有效

• 申請號: 201510207947.4
• 申請日: 2015-04-28
• 公開（公告）號: CN104766723B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 紀效波;景明俊;曹曉雨;姜赤龍;侯紅帥;張艷;賈鑫男;楊應昌
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01G11/30
• 分類號: H01G11/30;H01G11/86;H01G11/58;H01G11/62;H01G11/84
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所43114
• 代理人: 魏娟

技術領域

本發明涉及一種MnCo₂O₄/Co₂(OH)₃Cl復合材料的水系不對稱型超級電容器及其制備方法，屬于超級電容器技術領域。

背景技術

能源短缺和環境污染已成為當今社會普遍關注的問題，尋找清潔、可再生的能源已經成為世界各國共同關注的熱點問題。超級電容器具有高的功率密度、快速的充放電、穩定的循環壽命以及環境友好，很快地吸引了研究者的關注。目前，已商業化的超級電容器多數是以碳材料組裝的對稱超級電容器，其在水系中能量密度在3～4Wh/kg。相比于鋰離子電池(30～200Wh/kg)，其較低的能量密度限制了大面積的商業應用。因此，在保證高功率密度的前提下，提高能量密度成為超級電容器研究的一個熱點。

組裝不對稱超級電容器是一種有效的提高能量密度的方法，其可以利用兩個不同電壓窗口的電極材料進而增加電壓窗口，從而提高能量密度。不對稱超級電容器通常由雙電層碳材料作為負極材料，贗電容材料作為正極材料組裝而成。贗電容材料主要有金屬氧化物、導電聚合物以其復合物等。其中金屬氧化物(如 RuO₂、MnO₂、NiO和Co₃O₄等)由于具有高的比容量和優異的循環可逆性而得到廣泛的研究。

近期研究發現，雙金屬氧化物作為贗電容材料具有很好的應用前景，一方面雙金屬氧化物相比于單一的金屬氧化物具有更高的比容量，另一方面雙金屬氧化物具有較高的電導率，進一步增強其循環性能。基于成本低、環境友好等方面考慮，Co、Mn雙金屬氧化物成為下一代最有潛力的高性能超級電容器電極材料之一。文獻(“Electrochemically alternating voltage tuned Co₂MnO₄/Co hydroxide chloride for an asymmetric supercapacitor”,Mingjun Jing et al.Electrochimica Acta, 165(2015)198～205)公開了一種Co₂MnO₄/Co hydroxide chloride復合材料的水系不對稱型超級電容器，其具有較高倍率性能和能量密度，但是其循環性能較差，在2A/g的電流密度下，經過3000次循環，容量保持率僅為70％，限制了其實際的應用。

發明內容

針對現有的水系不對稱型超級電容器存在的循環性能較差的缺陷，本發明的目的是在于提供一種具有高循環穩定性能，且能量密度和比容量較高的 MnCo₂O₄/Co₂(OH)₃Cl復合材料的水系不對稱性型超級電容器。

本發明的另一個目的是在于提供一種簡單、低成本制備所述 MnCo₂O₄/Co₂(OH)₃Cl復合材料的水系不對稱性型超級電容器的方法。

為了實現本發明的技術目的，本發明提供了一種MnCo₂O₄/Co₂(OH)₃Cl復合材料的水系不對稱型超級電容器，由MnCo₂O₄/Co₂(OH)₃Cl復合材料正極、碳材料負極、隔膜、電解液和外殼組成，所述的MnCo₂O₄/Co₂(OH)₃Cl復合材料正極中MnCo₂O₄與Co₂(OH)₃Cl的摩爾比例為5～6:1；所述的碳材料負極由氮摻雜碳纖維與乙炔黑和PVDF的混合材料涂覆在泡沫鎳上制備得到。

優選的MnCo₂O₄/Co₂(OH)₃Cl復合材料的水系不對稱型超級電容器中，氮摻雜碳纖維通過如下方法制備得到：將聚吡咯纖維與KOH按質量比1:3～5研磨混合后，置于管式爐中，在氮氣氣氛下，以5～10℃/min的速率升溫到600～750℃進行焙燒1～2h，冷卻，洗滌，干燥，即得。冷卻過程為隨爐冷卻。洗滌過程采用HCl溶液作為洗滌液。干燥過程為在100℃的真空條件下干燥。