[发明专利]锑掺杂二氧化锡包覆多孔二氧化锰复合电极材料及制备

说明书

技术领域

本发明涉及一种锑掺杂二氧化锡包覆多孔二氧化锰复合电极材料及制备方法，属于电容器电极材料技术领域。

背景技术

随着经济发展，全球正面临着能源危机和环境污染的严峻挑战。因此急需我们开发无污染、可持续且高效率的新能源及新型能源存储装置来满足未来全球经济发展需求。最近十几年，超级电容器由于具有功率密度高，循环寿命长，充电时间短、环保安全等优点受到了广泛的关注，并且应用于电动车、混合电动车、燃料电池载体、不间断电源系统、以及移动电话等诸多领域。尤其近年来，包括中国在内的很多国家一直致力于研制高比功率、高比能量以及低成本的超级电容器，用于缓解由于化石燃料污染及非可再生能源资源枯竭所产生的环境和能源危机。因此，开发高性能的超级电容器不仅是解决能源危机的重要方案，同时也是应对环境挑战的重要策略。

目前研究的超级电容器电极材料主要有三类，分别为碳材料、过渡金属氧化物和导电有机聚合物。其中过渡金属氧化物由于同时具有稳定性好和比容量较高的优点被认为是很有前景的电极材料。就目前发研究进展来看，可用作超级电容器电极材料的过渡金属氧化物有很多，比如氧化钌（RuO₂）、氧化铱（IrO₂）、氧化锰（MnO₂）、氧化镍（NiO）、氧化钴（Co₂O₃）等。 但是RuO₂、IrO₂属于贵金属氧化物，价格昂贵且对环境有害，很难实现工业化生产；NiO、Co₂O₃在碱性电解质中工作电位较窄，能量密度较低，实际应用意义不大。而MnO₂以中性盐溶液为电解质，具有适当的电位窗口，安全性能高，并且MnO₂原料丰富，价格低廉，低毒，环境友好且理论比容量高(1300F/g)，因此MnO₂是一种优良的超级电容器候选电极材料。但是MnO₂由于自身存在电导率低、比表面积小、传质能力弱且在电解质中部分溶解的缺点，导致MnO₂电极在放电过程中材料利用效率低、大电流工作态下容量损失严重、循环过程中比容量不断衰减，从而限制了MnO₂的应用。目前国内外对MnO₂电极材料改进方法主要有四个方面，包括设计新型纳米结构MnO₂材料；设计新型异质结构MnO₂，如中空结构MnO₂材料；对MnO₂进行化学改性，将MnO₂与其他过渡金属元素混合形成MeO_x-MnO₂二元氧化物，或通过掺杂少量其他金属元素，形成金属元素替代型MnO₂；将MnO₂与碳材料或导电聚合物进行复合，制备复合材料等。目前关于MnO₂电极材料改性研究主要集中于改善MnO₂的电导率和比表面积，针对改善MnO₂电极循环稳定的研究不多，仅有报导将导电聚合物均匀包覆在MnO₂表面，利用导电聚合物膜充当MnO₂与电解质直接接触的屏障从而阻止MnO₂的溶解，但导电聚合物膜包覆过程工艺复杂、结构不稳定且不能进行高温煅烧。本发明以一种简便制备途径，利用掺杂元素的保护性金属氧化物包覆层来提高MnO₂材料的比容量和材料利用率，从而解决MnO₂所存在的比容量低和循环稳定性差等问题，有望显著提高MnO₂超级电容器电极材料电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锑掺杂二氧化锡包覆多孔二氧化锰复合电极材料及制备方法。该复合电极材料用于超级电容器，具有比容量大，循环稳定性好等性能，其制备方法过程简单。

本发明是通过以下技术方案加以实现的。一种锑掺杂二氧化锡包覆多孔二氧化锰复合电极材料，其特征在于，该复合电极材料为核壳结构，平均粒径为400-600nm，外层为锑掺杂二氧化锡包覆层，包覆层中锑元素与二氧化锡的质量比为（0.016~0.046）：（0.984~0.954），包覆层厚度为20~30nm，核为多孔二氧化锰球形粒子，二氧化锰在复合材料中质量分数为74~92%，复合材料中锰元素与锡元素摩尔比为100:（5~20），锡元素与锑元素摩尔比为100:（2~6）。