[發(fā)明專利]一種水系高電壓電極材料的制備方法及應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910200408.6
• 申請(qǐng)日: 2019-03-16
• 公開（公告）號(hào): CN109786126B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁凱;黃俊;陳義旺;談利承
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南昌大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/30
• 分類號(hào): H01G11/30;H01G11/32;H01G11/36;H01G11/46;H01G11/24;H01G11/62;H01G11/86
• 代理公司: 南昌朗科知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 36134
• 代理人: 郭毅力

一種水系高電壓電極材料的制備方法及應(yīng)用，包括：制備具有高導(dǎo)電性、高比表面的碳布/碳納米墻為基底材料；通過電化學(xué)沉積及電化學(xué)氧化法制備Na_0.5MnO₂納米片陣列；得到碳布/碳納米墻/Na_0.5MnO₂納米片正極材料；通過水熱法及后續(xù)退火制備碳包覆的多孔VN納米片陣列；得到碳布/碳納米墻/碳包覆的多孔VN納米片負(fù)極材料。并將上述材料應(yīng)用于制備非對(duì)稱水系超級(jí)電容器。本發(fā)明制備的非對(duì)稱的水系超級(jí)電容器，其工作電壓可達(dá)2.6 V，同時(shí)具有96.7 W h kg^?1的能量密度、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性等特點(diǎn)，為設(shè)計(jì)制備高能量密度超級(jí)電容器提供了一種有效的方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域，涉及一種水系高電壓電極材料的制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能器件，因其具有相較于電池高得多的功率密度、快速的充放電能力、極高的壽命、溫度范圍寬和環(huán)境友好等特點(diǎn)而備受關(guān)注。但是其能量密度遠(yuǎn)低于電池，極大的限制了其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，如何通過設(shè)計(jì)具有高效的電極材料來提高其能量密度成為現(xiàn)階段迫切待解決的問題。

超級(jí)電容器的電極分為正極和負(fù)極。目前，大多數(shù)研究工作都是集中在如何制備高比電容的贗電容正極材料上，但當(dāng)應(yīng)用到超級(jí)電容器中時(shí)，其高比電容并不能有效的發(fā)揮出來，而且器件的電壓范圍窄，根據(jù)能量密度公式E = 1/2 CV²（其能量密度(E)與其比容量(C)和工作電位窗口(V)成正比），所制備的超級(jí)電容器能量密度仍然較低。其主要原因在于，目前大多數(shù)贗電容正極材料電壓范圍窄，其極高的比電容與低比電容的碳基負(fù)極材料難以有效匹配，導(dǎo)致器件能量密度較難提高。所以，制備高能量密度的超級(jí)電容器必須同時(shí)兼顧正極和負(fù)極，需要同時(shí)制備電壓范圍寬，比電容匹配的正負(fù)極來提高超級(jí)電容器能量密度。同時(shí)，為避免有機(jī)電解液帶來的安全問題，環(huán)保的水系超級(jí)電容器越來越受到人們的關(guān)注。

MnO₂具有較高的析氧電位(1V)和較高的比電容，是一種極具潛力的高電壓超級(jí)電容器正極電極材料。最近，夏暉課題組通過原位電化學(xué)氧化Mn₃O₄制備的Na_0.5MnO₂納米墻復(fù)合電極，其電壓窗口可以擴(kuò)展到0~1.3 V (vs. Ag/AgCl)，比電容可達(dá)到366 F g^-1（Adv.Mater. 2017, 1700804）。進(jìn)一步擴(kuò)展的MnO₂基材料作為高電壓超級(jí)電容器的可能。如上所述，制備與之對(duì)應(yīng)的高電壓負(fù)極也很關(guān)鍵，但是目前制備的負(fù)極材料電壓普遍偏低，而且負(fù)極比電容也較低。如何制備具有較高的工作電壓、高比電容的負(fù)極仍然具有挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種水系高電壓電極材料的制備方法及應(yīng)用。通過同時(shí)制備高電壓及電容量匹配的正負(fù)極，組裝成非對(duì)稱的水系超級(jí)電容器，其工作電壓可達(dá)2.6 V，同時(shí)具有較高的能量密度、功率密度、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性等特點(diǎn)，為設(shè)計(jì)制備高能量密度超級(jí)電容器提供了一種有效的方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明所述的一種水系高電壓電極材料的制備方法，其特征是以高導(dǎo)電性的碳布/碳納米墻陣列作為基底，在其表面生長褶皺的Na_0.5MnO₂納米片作為正極及碳包覆的多孔VN納米片作為負(fù)極，以Na₂SO₄水溶液作為電解液，組裝成非對(duì)稱的扣式超級(jí)電容器。這種非對(duì)稱超級(jí)電容器具有2.6 V的工作電壓，在1294 W kg^-1的功率密度下具有96.7 W h kg^-1的能量密度，在恒電流下循環(huán)10000次后，該非對(duì)稱水系超級(jí)電容器還具有92.5%的電容量保持率。

本發(fā)明所述的一種水系高電壓電極材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟。