[發明專利]一種制備過渡金屬氧化物超級電容器電極的方法

有效

• 申請號: 202110493311.6
• 申請日: 2021-05-07
• 公開（公告）號: CN113314355B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 宋曄;王奇;龔天樂;趙紫雨;王恒;余袁田;朱緒飛
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/46
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 鄒偉紅

本發明公開了一種制備過渡金屬氧化物超級電容器電極的方法，電解液以磷酸氫二鉀為溶質，甘油或甘露醇為溶劑，陽極和陰極分別為潔凈的過渡金屬片和碳電極，控制電解液在一定溫度下，在低電流密度下對過渡金屬片表面進行陽極氧化，得到所述電極。本發明采用低場陽極氧化法，在無需退火等任何后處理的情況下即可得到空位缺陷型陽極氧化膜，具有優異的超級電容性能和極好的膜結構穩定性能，工藝簡單可控，適用于工業化生產。

技術領域

本發明屬于電化學技術領域，涉及一種制備過渡金屬氧化物的方法，具體涉及一種高溫低場陽極氧化制備過渡金屬氧化物超級電容電極的方法。

背景技術

超級電容器作為一種介于傳統電容器和電池之間的新型儲能器件，兼具電容器的高功率密度和電池的高能量儲存的特性引起人們廣泛的研究和關注。其中，過渡金屬氧化物因其多樣的晶體結構、多變的離子價態和易制備等特點，已成為超級電容器最重要的電極材料之一。此外，很多過渡金屬在自然界中儲量豐富，使其今后大規模應用成為可能。

目前制備過渡金屬氧化物的主流方法是水熱法(S W Donne,et al.J.PowerSources,2010,195,367)和溶液-凝膠法(J Cheng,et al.J.Power Sources,2006,159,734)，它們不僅適合納米結構的氧化物的制備，也便于氧化物的摻雜改性，但產物大多為粉末狀材料，需要混合導電劑和粘結劑負載在集流體上，才能制備成超級電容器電極。這不僅增加了超級電容器電極制造的復雜程度，而且粘結劑的使用會損害其功率特性。相比較而言，使用陽極氧化法制備過渡金屬氧化物具有低能耗、簡便可控的優點。此外，當金屬陽極氧化時，氧化物在金屬基底上原位生成，金屬基底可作為集流體，無需使用粘結劑即可作為超級電容器電極。

目前已經通過陽極氧化的方法制備出的過渡金屬氧化物主要有TiO₂(A PSergiu,et al.Adv.Mater,2008,20,4135)、Fe₂O₃(K Lee,et al.Electrochem Commun,2011,13,657)、CuO(C Brionesf,et al.Electrochim.Acta,2010,55,4353)、MnO₂(K RPrasad,et al.J.Power Sources,2004,135,354)等。通過傳統陽極氧化法所制備的過渡金屬氧化物通常為寬禁帶半導體，電導率低，導致其在應用于超級電容器時表現出倍率特性和功率特性差的結果。為此，人們采取不同的處理方法來提升氧化物的電導率，如引入氧空位等空位缺陷(A Sarkar,et al.Nanoscale,2019,1,3414)、與碳等導電性高的材料進行復合(Y T Xu,et al.Nano Energy,2015,11,38)等方法。然而上述方法均存在工藝復雜、能耗高以及難以調控等缺點。此外，利用傳統陽極氧化法所制備的過渡金屬氧化膜還表現出膜結構穩定性較差，氧化膜與金屬基底結合力不佳的缺點，進而導致電極循環穩定性差。因此，如何利用簡便易行的方法制備既具有優異的超級電容特性又具備穩定結構的過渡金屬氧化膜成為一個具有挑戰性的難題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種制備過渡金屬氧化物超級電容器電極的方法。

實現本發明目的的技術解決方案為：以磷酸氫二鉀(K₂HPO₄)為溶質，甘油或甘露醇為溶劑配制耐高溫電解液，通過油浴方式將電解液溫度升至高溫，然后分別以潔凈的過渡金屬片和石墨電極作為陽極和陰極，通入低電流密度即可在過渡金屬片的表面進行陽極氧化，得到空位缺陷型過渡金屬氧化物超級電容器電極。

上述步驟中，過渡金屬片中的過渡金屬主要包括鈦、鐵、銅、鉬等中任意一種或幾種。

上述步驟中，電解液的濃度為6％～12wt％。