[發(fā)明專利]一氧化錳/碳納米纖維的超級電容器電極材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010029966.3
• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111223681B
• 公開（公告）日: 2021-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉連梅;翁巍
• 申請（專利權(quán)）人: 嘉興學院
• 主分類號: H01G11/30
• 分類號: H01G11/30;H01G11/36;H01G11/46;H01G11/86;D01D5/00;D01D10/06;D01F9/22
• 代理公司: 上海統(tǒng)攝知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31303
• 代理人: 杜亞

本發(fā)明涉及一種一氧化錳/碳納米纖維的超級電容器電極材料及其制備方法，本發(fā)明將鋰錳氧混合在聚丙烯腈紡絲液中，以靜電紡絲結(jié)合碳化工藝得到了錳最低價態(tài)的一氧化錳/碳納米纖維復合物，所得低價態(tài)一氧化錳在很大程度上改善了碳納米纖維的導電性和比表面積，使得復合物的比表面積和電導率增加；將本發(fā)明制備的復合物應(yīng)用于超級電容器電極材料中，所得電極材料具備高比容量、寬電化學窗口、壽命長等優(yōu)點，且電極電容在大電流密度下的循環(huán)保持能力較好；制備方法簡單易行、反應(yīng)條件溫和，重復性好，易于規(guī)模化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬超級電容器電極材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一氧化錳/碳納米纖維的超級電容器電極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

超級電容器，又稱電化學電容器，是一種介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲能器件，具備充放電速度快、使用壽命長、溫度特性好、綠色環(huán)保等優(yōu)點，受到了廣泛關(guān)注，研究領(lǐng)域涉及化學、材料、新能源及電子器件等，成為交叉學科的研究熱點之一。電極材料是超級電容器的核心材料，對超級電容器的性能起決定作用。超級電容器的電極材料根據(jù)充放電原理分為兩大類，一類是在電極表面形成雙電層來存儲電能的雙電層電極材料，另一類是電極與電解液發(fā)生二維或準二維的法拉第反應(yīng)來完成電能存儲的贗電容電極材料。兩者最大的不同在于，前者是一個物理靜電吸附過程，后者是通過電極與電解液界面間的快速氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)的，是一個化學反應(yīng)過程，這種快速的氧化還原反應(yīng)可以存儲高密度的電荷，所以贗電容超級電容器存儲的能量一般要高于雙電層超級電容器的電容，但是贗電容超級電容器的氧化還原反應(yīng)具有一定的不可逆性，使得它的循環(huán)穩(wěn)定性變差。實際上，為了實現(xiàn)電容性能和循環(huán)穩(wěn)定性能的綜合優(yōu)化，超級電容器的電極材料上一般是同時包含雙電層和贗電容性質(zhì)的活性材料的，讓二者合二為一發(fā)揮各自優(yōu)點實現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。

在眾多贗電容電極材料中，錳氧化合物(MnOx)因優(yōu)異的理論容量值、價格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點而備受關(guān)注。但MnOx的電導性差、體積膨脹大、循環(huán)性能差等缺陷，阻礙了其應(yīng)用。而碳納米纖維具有大的比表面積、優(yōu)良的導電性等優(yōu)勢，將兩者結(jié)合有望獲得兼具高比電容并且循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)良的復合材料。目前，已經(jīng)有一些關(guān)于MnOx和碳納米纖維的復合材料的報道，所得到的電化學性能較單一材料的有很大提升。但是縱觀所有MnOx/碳納米纖維復合材料都只在正電極電勢區(qū)間內(nèi)具有較高的比電容，而在負電極電勢區(qū)間的比電容反而要小于純碳納米纖維。其根本原因在于MnOx中的錳基本上都具有較高價態(tài)，只有在正電極電勢區(qū)間才具有較高的贗電容。有個別報告報道了一氧化錳(MnO)和碳納米纖維的復合材料，但是也只是測試獲得在正電極電勢區(qū)間的高比電容。因此MnOx材料在負電極電勢區(qū)間具有高的比電容不僅要求錳的價態(tài)還要求錳氧化合物的結(jié)構(gòu)和形貌。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有MnOx/碳納米纖維無法在負電極電勢區(qū)間提供高比電容的不足，提供一種新型的一氧化錳/碳納米纖維的超級電容器電極材料，其能夠在負電極電勢區(qū)間具有高的比電容。本發(fā)明采用靜電紡絲技術(shù)首先制備獲得鋰錳氧和聚丙烯腈的復合納米纖維，然后經(jīng)過高溫處理，發(fā)生協(xié)同鋰錳氧脫鋰和聚丙烯腈碳化最終獲得新型的一氧化錳/碳納米纖維復合材料。本發(fā)明采用靜電紡絲結(jié)合高溫碳化制備了一氧化錳/碳納米纖維超級電容器電極材料，由此制備的電極材料在電導率、電化學性能方面得到了很大的提升和改善。

本發(fā)明的另一個目的是提供了一種通過靜電紡絲后高溫碳化制備一氧化錳/碳納米纖維的超級電容器電極材料的方法，本發(fā)明基于靜電紡絲技術(shù)制備了一氧化錳(低價態(tài)錳)/納米碳纖維復合電極材料，將鋰錳氧(LiMn₂O₄)混入聚丙烯腈紡絲溶液中，在高溫及惰性氣體氛圍煅燒下，聚丙烯腈完成碳化的同時，鋰錳氧發(fā)生脫鋰現(xiàn)象，最終制備得到最低價態(tài)的一氧化錳和低氮含量的納米碳纖維復合材料，該電極材料導電性高，比表面積大，在正負電壓區(qū)間均有較強的電化學活性，彌補了錳氧化合物在負區(qū)間無電容或電容低的缺陷，具有較高的比電容及良好的循環(huán)性能，是一種高性能超級電容器電極材料，使用鋰錳氧脫鋰制備MnO屬首創(chuàng)。