[发明专利]ZnMn2O4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.],MnO₂[Y.U.Jeong,J.Electrochem.Soc.,149(2002):A1419-A1422.]和Co₃O₄[Lin Cao,Yingke Zhou,Mei Lu,Hulin Li.Chinese Sci.Bulletin.48(2003):1212-1215]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400F/g左右。与RuO₂·xH₂O相比，MnO₂的比电容还有待进一步提高。

据报道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。研究者利用氧化锌的良好导电率[J.Liu,C.Cheng,W.Zhou,H.Li and H.J.Fan,Chem.Commun.47(2011)3436.];[G.R.Li,Z.L.Wang,F.L.Zheng,Y.N.Ou and Y.X.Tong,J.Mater.Chem.21(2011)4217.]，制备了ZnO/MnO₂材料来提高其比电容。

M.P.Yu等[M.P.Yu,H.T.Sun,X.Sun,F.Y.Lu,G.K.Wang,T.Hu,H.Qiu,JLian,Int.J.Electrochem.Sci.,8(2013)2313–2329.]采用水热法制备了ZnO/MnO₂电极材料。采用XRD、SETEM、XPS和拉曼光谱表征了核壳材料的结构和形貌。结果表明，ZnO/MnO₂核壳结构具有纳米尺度结构，形成了高度开放和多孔纳米表面形貌并且具有相对高的结晶度。电化学性能测试表明样品具有优异的可逆性和充放电性能，ZnO/MnO₂纳米材料在1MNaSO₄电解液中测试，循环伏安测试表明电极在0-0.8V的电位范围内具有很高的可逆性，ZnO/MnO₂纳米材料在10mV/s时比电容达151F/g；在恒定电流密度2A/g时，其材料的比电容仍高达210F/g。电极材料经2000次循环后的比电容(电位范围为0-0.8V)保持为初始的97%，具有良好的循环性能。