[發明專利]三元復合電極材料、其界面原位反應制法與應用

在審

• 申請號: 201610924800.1
• 申請日: 2016-10-24
• 公開（公告）號: CN107978462A
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發明（設計）人: 李鐵;張珽;羅袆;丁海燕
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/24;H01G11/30;H01G11/46;H01G11/48;B82Y30/00
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙)32256
• 代理人: 王鋒

技術領域

本發明涉及一種復合電極材料，其制備方法及應用，具體涉及一種改性二維材料-導電聚合物-金屬氧化物三元復合電極材料、其制法與應用，例如在制備柔性超級電容器中的用途。

背景技術

近年來，盡管部分僅處于起步階段的柔性電子設備如分布式傳感器、柔性顯示器、電子皮膚等正日益接近人們的生活，逐漸成為未來電子設備發展的主流趨勢，但是有關驅動這些柔性電子產品的柔性電源方面的研究卻遠遠落后。柔性電子設備要成為日常使用設備，就必須解決為其運行提供動力的能源存儲器件的柔性化這一關鍵問題。全固態柔性超級電容器具有能量和功率密度大、結構簡單、柔韌性好、電位窗口寬、安全系數高和易于封裝等優點，使之在大功率能源轉換、便攜式和可穿戴式的柔性電子產品上具有重要的應用前景，受到了廣泛的關注。高比容量和高穩定性是衡量柔性超級電容器性能的2個關鍵因素，而電極材料的選擇對于超級電容器的輕薄化和柔性化最為關鍵。

以硒化物、黑磷二維材料等為代表的二維材料，是擁有sp²雜化軌道的二維原子晶體，自被發現以來，因其特殊的性能(如優異的電學性、力學性能；質量輕、導熱性好、比表面積高等)而備受關注，是一種理想的納米增強材料。近年來，盡管二維材料在構建超級電容器方面表現出強勁優勢，然而由于二維材料的結構不穩定性與存儲機理所限，單獨基于二維納米材料的柔性超級電容器的比容量并不令人滿意，通常只有100-200F·g^-1，這限制了它在高性能電容器中的應用。其次，雖然導電聚合物材料(聚吡咯/聚苯胺/聚噻吩等)用作電極材料時，具有優異的電子/離子傳遞速率和比傳統碳電極材料更高的比電容值，但是其循環穩定性并不理想，這也就直接制約了其現實應用。另外，過渡金屬氧化物(RuOx、CoOx、MnOx、NiOx和FeOx等)贗電容材料，因其價格低廉、來源廣泛、環境友好性，特別是其高的理論比容量等特點，使之能有望成為優異的電極材料，然而較差的導電性卻同樣限制了其在超級電容器中的廣泛應用。總之，高電化學活性的電極材料的進展依然不盡人意，無法滿足目前柔性超級電容器對高能量密度的迫切需求，如何在擁有高穩定性、導電性的同時兼具有較高的電化學性能成為關鍵問題。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種改性二維材料-導電聚合物-金屬氧化物三元復合電極材料(簡稱“三元復合電極材料”)、其界面反應制法與應用，以克服現有技術中的不足。

為實現前述發明目的，本發明采用的技術方案包括：

本發明實施例提供了一種三元復合電極材料的界面原位反應制法，其包括：

使二維材料和表面改性劑于混合溶劑中反應，實現對二維材料的表面改性，獲得改性二維材料；

將改性二維材料分散于水和/或能與水互溶的小分子醇中形成改性二維材料分散液，并在所述改性二維材料分散液內加入氧化劑，均勻混合形成水相體系；

將導電聚合物單體溶解于有機溶劑中形成油相體系；

將水相體系與油相體系混合形成油/水兩相分離的混合液，并在溫度為0℃～70℃的條件下反應，從而在油/水界面間生成改性二維材料-導電聚合物-金屬氧化物三元復合電極材料，即所述三元復合電極材料。

本發明實施例還提供了一種三元復合電極材料，特別是基于前述界面原位反應制法制得的三元復合電極材料，其具有均勻分布的納米級結構，并且所述三元復合電極材料包括改性二維材料、導電聚合物和金屬氧化物，所述金屬氧化物及導電聚合物均勻分散在改性二維材料的片層結構上，所述金屬氧化物的粒徑為0.1nm～20nm。

本發明實施例還提供了所述三元復合電極材料的用途，例如在制備超級電容器等儲能裝置中的用途。

例如，本發明實施例還提供了一種柔性超級電容器，其包括第一電極，電解質中間層和第二電極，所述電解質中間層分布于第一電極和第二電極之間，并且所述第一電極和第二電極中的至少一者包含所述的三元復合電極材料。

與現有技術相比，本發明的優點包括：

(1)提供的一種改性二維材料-導電聚合物-金屬氧化物三元復合電極材料生產工藝中，無需輔以攪拌等操作，而可通過“界面原位氧化還原生成”方式實現三元復合電極材料的制備，工藝簡單、操作方便、產品成本低、耗能低，易實現大規模工業生產；

(2)提供的改性二維材料-導電聚合物-金屬氧化物三元復合電極材料較之單一組分或兩組分的復合電極材料，形貌均一性、電導率及熱穩定性能等均有顯著提高，大幅拓展了傳統二維材料的用途；