[发明专利]锂离子超级电容器的电极材料及其制备方法

说明书

背景技术

锂离子超级电容器，属于电化学电容器种类，是性能介于传统电容器和电池之间的一种储能器件。相比电池，其具有功率密度高、循环寿命长的特点；相比传统物理电容器，则具有能量密度大的优势。超级电容器与锂离子电池配合组成复合电源，在电动车启动、加速和爬坡时可以满足车辆对高功率和大电流的需求，在电动车刹车、减速和下坡时可以及时回收电池释放的多余能量，提高电动车的电能使用效率。

超级电容器能够在几秒钟内捕捉和释放能量，而且可以循环数百万次，但是能量密度一般不超过10Wh/kg，相比锂离子电池而言，只能存储大约10％的能量。如果能提升超级电容器的能量密度2至3倍，即使循环寿命降至十万次，与锂离子电池结合，更适合各种电动车能量回收和加速运行情况。

锂离子超级电容器是超级电容器和锂离子电池的结合体，性能兼具两者的特点，实现一定程度上的高功率密度与高能量密度共存，同时保证合适的循环寿命，有望在电动汽车领域得到应用。锂离子超级电容器的储能原理基于超级电容器的双电层电容与法拉第准电容以及锂离子电池的高度可逆氧化还原化学反应，该概念已经存在了20多年。这种混合储能装置的一个电极见于超级电容器，是双电层电容与法拉第准电容储能机制，另一电极见于锂离子电池，是锂离子储能机制，将两者结合，实现高功率密度与高能量密度一定程度上的共存，同时保证合适的循环寿命。新型超级电容器电极材料与锂离子电池电极材料都是当前研究的热点。

多孔炭是常见的超级电容器电极材料，通常具有高的比表面积，在电极/电解液界面通过电子和离子或偶极子的定向排列而产生双电层，形成双电层电容，功率密度高、循环寿命长，但由于其属于物理过程，比能量密度较低(E＝1/2CV²)。金属氧化物和导电聚合物(如聚苯胺、聚吡硌)也被用作电极材料，在充放电过程中发生氧化还原反应，产生法拉第准电容，比容量高(是炭材料的10倍以上)，但是大电流充放电性能和循环性能相对较差。炭材料与金属氧化物或导电聚合物的复合材料兼具双电层电容和法拉第准电容特性，得到高能量密度的同时，可保证合适的循环寿命，是新一代超级电容器的电极可选材料。

双电层电容与电极材料的比表面积成正比，因此，具有大比表面积的活性炭是超级电容器的常用电极材料；在活性炭上负载RuO₂、IrO₂，利用过渡金属氧化物的法拉第准电容，可以明显增加超级电容器的比容量，提升能量密度，但是贵金属氧化物价格昂贵，限制了其应用。目前，活性炭与氧化锰、氧化镍、氧化钴、氧化钒等廉价金属氧化物的复合材料备受关注。如专利申请200310107714.4公开了将NiO_x浸渍于活性炭制备复合电极并应用于超级电容器的工艺，镍氧化物的负载量为1.0～14.0mg/g，电容器输出能量密度即可得到提高。专利申请02130061.5公开了一种以石油焦或沥青焦为原料，以KOH为活化剂，高温活化制得中孔或微孔活性炭，然后负载金属氧化物制备复合电极材料的工艺，发现负载氧化锰、氧化钴或氧化镍后，复合电极的比电容比对比例中的活性炭电极明显增加，最高增幅达到63.2％。专利申请02130062.3公开了掺杂廉价金属提高活性炭比电容的方法：在活性炭前驱体中加入金属离子(Cu²⁺、Ni²⁺)，使金属离子均匀分散在活性炭孔道中，发挥金属微粒的最大法拉第准电容效应，从而提高超级电容器的比电容。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种用于锂离子超级电容器的电极材料。

本发明提供的用于锂离子超级电容器的电极材料，是一种金属氧化物活性炭复合材料，包括活性炭和负载于活性炭上的氧化钼(即第一金属氧化物)，其中钼为正四价。

XRD表征表明，在复合材料中氧化钼的主要物相是二氧化钼(MoO₂)，即钼的化学价主要呈现+4价。

本发明的金属氧化物活性炭复合电极材料还可以进一步包括至少一种第二金属氧化物，该第二金属元素可以选自第一、第二、第三主族元素、过渡元素和稀土元素中的至少一种。通常，第二金属元素可以选自Li、Ca、Mg、Al、Ti、Fe、Ni、Mn、Co、Cu、Zr、W、La和Ce中的至少一种。