[發明專利]一種自支撐高比電容WC@rGO-MnO2

在審

• 申請號: 202310077220.3
• 申請日: 2023-01-17
• 公開（公告）號: CN115954217A
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 王喜明;單曉飛;王麗;王哲;于建芳;于淑艷;武靜
• 申請（專利權）人: 內蒙古農業大學;內蒙古科技大學;包頭市鹿福美家具有限責任公司
• 主分類號: H01G11/46
• 分類號: H01G11/46;H01G11/30;H01G11/86;H01G11/34;H01G11/26
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產權代理有限公司 31227
• 代理人: 王曉麗

本發明將北京楊加工成薄片，利用真空浸漬技術制備Wood@GO復合材料，通過碳化處理獲得保留原始木材3D多級直通道網絡結構的WC@rGO導電基體，并采用水熱法在WC@rGO導電基體的多孔結構上原位生長MnOsubgt;2/subgt;，首次制備出無任何粘結劑及導電劑的新型綠色自支撐高比電容電極材料；此電極材料中木材的三維分級網絡結構可作為理想的綠色自支撐集流體材料，用于匯集電流；原位均勻生長的rGO直接提高了電極的倍率性能；水熱法生成的MnOsubgt;2/subgt;使電極的比電容明顯提升；三元材料的完美復合使電極表現出優異的電容性能；本發明中，以WC@rGO?MnOsubgt;2/subgt;為陰極，纖維素膜為隔膜，AWC為陽極構建的超級電容器具有高電容。

技術領域

本發明涉及一種木基超級電容器的電極材料，尤其涉及一種自支撐高比電容WC@rGO-MnO₂電極、及其制備方法、及其作為超級電容器電極的應用。

背景技術

隨著化石資源的嚴重短缺和環境污染的日益嚴重，可持續、低成本的儲能裝置的開發變得更加迫切。超級電容器具有充放電快、壽命長、功率密度高等優點，在太陽能發電、風力發電、軍事裝備、混合動力汽車等領域都是非常有吸引力的綠色儲能設備。然而，其低能量密度限制了在汽車和消費電子等許多領域的應用。超級電容器的儲能能力很大程度上取決于電極材料的性質(包括微觀形貌、電導率和比表面積等)。具有良好導電性和高化學穩定性的碳基電極材料(如石墨烯、多孔碳)是極有前途的超級電容器的候選材料。

近年來，人們開發了許多新的電極材料來進一步提高超級電容器的性能，如碳材料、金屬氧化物和導電聚合物。這些電極材料通常是粉末狀的，往往需要用粘合劑和導電添加劑涂覆在集流體上，不僅增加了電極的重量，還降低了能量密度，這種涂覆過程也可能導致較差的電極結構、限制電子和離子快速傳導、低的材料利用率及環境污染等問題。因此，開發一種無需任何粘結劑和導電劑的綠色自支撐電極是未來的熱點研究方向之一。

MnO₂是一種典型的贗電容電容器電極材料，它具有高比電容(理論值可達1370F·g^-1)、低成本、環境相容性好等特點。然而，MnO₂的電導率并不是很高(約10^-6Scm^-1)，這導致MnO₂中Mn參與氧化還原反應的比例相對較低，從而阻礙了其在能量器件中的實際應用。重要的是，MnO₂納米結構必須生長(或支持)在高度多孔和導電的基體上形成復合材料以增強其電化學性能。相比之下，碳材料具有比贗電容材料更好的循環穩定性、更高的速率能力和更寬的工作電壓。其中石墨烯片因其高比表面積、優越的電導率(室溫下載流子遷移率約為15000cm²/v·s)和穩定的晶格結構而成為極具潛力的超級電容器碳材料，但其易于堆積的特性阻礙了離子的運輸和電解質在電極材料中的滲透，使其實際的比容量較低。

木材具有獨特的三維分級多孔網絡結構，沿著樹的生長方向有大量的垂直導管，使離子、水和其他營養物質可以連續運輸，特別是木材具有的以下兩種獨特天然結構：(1)木質素和半纖維素中不同排列的纖維素纖維形成的管胞、導管和纖維組成的天然多孔結構有利于離子的快速傳輸；(2)天然良好的機械強度歸因于纖維素、半纖維素和木質素形成的鋼筋混凝土狀結構，使木材成為獨立碳電極的天然前驅體。其三維分級多孔網絡結構可以增加電解質與電極表面的相互作用，為活性材料的沉積提供了較大的表面積，為此，很多研究者將具有導電性的碳化木材作為電極，但作為碳質材料，碳化木提供的儲能容量有限，限制了其能量密度。

另外，碳化木材(WC)表面存在氧敏感官能團，這些官能團具有較高的表面活性，降低了SCs的儲能性能和循環穩定性。因此，在碳化木材中引入其他構件，利用不同構件之間的協同效應，提高木基儲能裝置的功率和能量密度是一種有效的策略。

發明內容