[发明专利]有序中孔炭/MnO2纳米复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器作为一种新型贮能元件具有高功率、长寿命等独特优点，在消费电子产品、UPS(不间断电源系统)以及电动车用的混合电源系统等方面具有广阔的应用前景。超级电容器根据储能机理的不同，分为炭基超级电容器(双电层电容器)和以金属氧化物以及导电聚合物为电极材料的准电容电容器。

在这两类超级电容器中，炭基超级电容器所用的活性炭的比电容较低，限制了超级电容器器件的性能。众所周知，提高贮能器件的比能量可以减轻其自身的质量，应用于电动车可以减轻车身的重量，因此具有重大的现实意义。而要提高贮能器件的比能量就要提高其关键电极材料的比电容。以金属氧化物为电极材料的准电容电容器正好能满足上述要求，准电容氧化物材料的比电容可达炭电极材料的数倍，因此成为国内外的研究热点。

近年所研究的金属氧化物材料中，RuO₂·xH₂O由于比电容高达768F/g而一直处于领先地位，如文献[J.P. Zheng，J.Electrochem.Soc.，142(1995)：L6-L8.]的报导。

然而，由于钌具有高昂价格的缺点而难以商品化。因此研究方向逐渐转移到NiO，如文献[F.Zhang，Mater.Chem.Phys.，83(2004)：260-264.]、V₂O₅[H.Y.Lee，J.Solid State Chem.，148(1999)：81-84.]和MnO₂[Y.U.Jeong，J.Electrochem.Soc.，149(2002)：A1419-A1422.]等的报导上来。其中MnO₂由于价格低廉、对环境友好而受到国内外研究者的广泛关注。

作为超级电容器电极材料的MnO₂的制备方法有：电沉积法，如文献[J.N.Broughton，Electrochimica Acta，50(2005)：4814-4819.]的报导、水热法，如文献[V.Subramanian，J.Power Sources，159(2006)：361-364.]的报导，以及共沉淀法，如文献[M.Toupin，Chem.Mater.，14(2002)3946-3952.]等的报导，其比电容在160F/g左右。与RuO₂·xH₂O相比，MnO₂的比电容还有待进一步提高。

因此开发高性能超级电容器MnO₂电极材料显得犹为迫切。MnO₂的理论比电容高达1370F/g，如文献[Mathieu Toupin，Chem.Mater.，16(2004)：3184-3190.]的报导，因此其实际比电容尚有较大的提升空间。

众所周知，纳米材料由于其粒径在纳米尺度范围，因此具有小尺寸效应和表面效应，其比表面积随着颗粒变小而迅速增加，如果将MnO₂制成纳米材料，无疑将由于其比表面积的增大而提高电极材料的利用率从而提高其电化学性能[V.Subramanian，Journal of Power Sources，159(2006)：361-364.A.Zolfaghari，Electrochimica Acta，52(2007)：2806-2814.]；但是另一方面，纳米材料较大的比表面积使其具有较大的表面能，因此容易团聚，尤其在电极制作过程中制备电极浆料时更是如此，从而使材料失去高比表面积的特性。

为解决制备电极浆料过程中纳米材料的团聚问题，通常的办法是将MnO₂与各种炭材料(如炭纳米管、炭气凝胶等)一起制成纳米复合材料，复合材料中MnO₂保持了纳米的特性。