[发明专利]一种纳米复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域  本发明涉及一种纳米复合材料及其制备方法，特别是一种纳米复合电极材料及其制备方法。

背景技术  超级电容器，它是一种介于常规电容器与二次电池之间的新型储能器件，同时兼有常规电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优点。由于具有比功率高，比能量大，循环寿命长，充放电速度快，对环境无污染，可广泛应用于信息技术、航空航天、国防科技、车用能源等各种高科技领域中。超级电容器用电极材料主要分为碳材料、金属氧化物和导电聚合物。

金属氧化物二氧化锰是一种具有优异电化学性能的电极材料，早在几十年前就已经广泛应用于锌锰电池和锂锰电池。在最近几年里，众多研究证实二氧化锰是一种很有前景的赝电容材料，相比其他金属氧化物而言，二氧化锰具有容量高、可逆性好、毒性低、来源丰富、成本低和环境友好等特点, 已经引起了各国科研机构以及相关企业的关注。但由于二氧化锰本身导电率较低和较致密结构导致电化学容量较低，为了进一步提高超级电容器的电容值，对二氧化锰电极材料进行了改进，主要方法表现为将二氧化锰与各种碳材料进行复合。现今的复合方法主要为在溶液条件下在碳材料表面均匀包裹一层二氧化锰。二氧化锰与碳材料存在大的界面接触电阻，影响了电极的导电性，使得复合材料的电化学性能不是很理想。

发明内容  本发明提供一种设备简单、易操作、具有良好电容性能的纳米复合电极材料及其制备方法。

本发明的纳米复合电极材料是一种由碳纳米管、涂覆在碳纳米管表面的金属锰以及在金属锰与碳纳米管之间生成的碳化物层组成的锰或氧化亚锰/碳化锰/碳纳米管复合电极材料。

上述纳米复合电极材料的制备方法：

按碳纳米管：金属锰粉的质量比为1:10-50的比例，采用研钵研磨的方法将碳纳米管与金属锰粉混合均匀，装入不锈钢容器中，再将容器放入真空反应炉腔内；开启真空泵和加热阀，加热到500~700℃，在真空度1~10 Pa下，保温30~120 min，关闭加热阀，待冷却到室温后关闭真空泵把容器取出，最后用酒精对混合物进行超声漂洗10~25 min，静置3~8 min，取上面的悬浮液烘干，即为锰（氧化亚锰）/碳化锰/碳材料纳米复合电极材料。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、制备方法对设备要求不高，易操作，能够批量生产易于商业推广。

2、碳化物层不但能够提高电极的导电性能，而且能够增强电极的循环寿命，外表层的金属锰（或氧化亚锰）能够转化成二氧化锰，表现良好的电容性能。锰（氧化亚锰）/碳化锰/碳纳米管纳米复合电极比电容为216-336 F/g。

附图说明

图1是本发明实施例1获得的电极纳米复合材料的XRD图。

图2是本发明实施例1获得的电极复合材料的场发射图。

图3是本发明实施例1获得的电极复合电极材料的在0.5 mol/L Na₂SO₄溶液中的循环伏安曲线。

具体实施方式

实施例1：

取0.5 g 平均直径为100 nm的碳纳米管和25 g 100目的金属锰粉，采用研钵研磨的方法混合均匀，装入不锈钢容器中，把容器放在真空反应炉腔内；开启真空泵和加热阀，加热到600 ℃，在真空度为10 Pa时，保温60 min，关闭加热阀，待冷却到室温后关闭真空泵把容器取出，最后用酒精对混合物进行超声漂洗10 min，振动频率为20kHz，功率为80W，静置3 min，取上面的悬浮液烘干，即获得了锰（氧化亚锰）/碳化锰/碳纳米管纳米复合电极材料。

锰（氧化亚锰）/碳化锰/碳纳米管纳米复合电极比电容的测量：采用常规的三电极体系，饱和甘汞电极作为参比电极，大面积泡沫镍电极为辅助电极，所制备的锰（氧化亚锰）/碳化锰/碳纳米管纳米复合电极是测试中的工作电极，电解液为0.5 mol/L Na₂SO₄溶液。测量结果是：在0.005 V/s的扫速下，锰/碳化锰/碳纳米管纳米复合电极比电容为336 F/g。

如图1所示，可以看出纳米复合材料存在碳，金属锰，氧化亚锰和碳化物等相。如图2所示，可以看出在碳纳米管表面均匀涂覆了一层疏松多孔的纳米镀层。如图3所示，其扫描速率分别为2,5,20,50,100 mV/s，可以看出随着扫描速度的增加电流在不断增大，同时CV曲线的形状基本不变，说明该纳米复合电极材料具有很好的电容性能。

实施例2：