[发明专利]一种氮碳材料包覆二氧化锰纳米线的制备及应用方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学科学与能源技术领域，涉及一种氮碳材料包覆二氧化锰纳米线的制备及以其作为电容器正极的复合型超级电容器。

背景技术

超级电容器是近年来发展起来的一种新型储能元件，具有比传统电容器更高的比电容和能量密度，比电池更高的功率密度和更长的循环寿命，可以应用于电动汽车的电源启动系统，为起电动汽车的加速和爬坡提供能量，因而在环保型电动汽车领域具有广阔的应用前景。目前应用于超级电容器的电极材料主要有三种：碳材料、过渡金属氧化物或水合氧化物以及导电聚合物。其中二氧化锰(MnO₂)的理论比电容高达1370Fg^-1，且储量丰富、电位窗口较宽、价格低廉、对环境无污染、价态丰富、制备简单，是一种极具潜力的赝电容电极活性材料。然而MnO₂材料的电导率很低(10^-5～10^-6Scm^-1)，离子传输能力也很差，造成MnO₂活性成分无法充分利用，因而其实际比电容很低。如马军等合成的MnO₂纳米颗粒比电容仅为149Fg^-1，Ghimbeu等合成的多孔λ-MnO₂在放电电流为1Ag^-1时，比电容仅为120Fg^-1。而且，MnO₂粉末通常颗粒较大，导致活性物质与集流体、活性物质彼此之间接触不充分，增大了电池的内阻，并使电容器的高倍率充放电性能很差，循环性能也不够理想。

人们常将MnO₂与各种高电导率、高孔隙率的碳材料进行复合，来提高MnO₂的利用率、比容量、倍率性能和循环寿命。Jiang等通过C₂H₅OH与KMnO₄之间简单的氧化还原反应制备的α-MnO₂修饰多壁碳纳米管在1molL^-1Na₂SO₄电解液溶液中5mVs^-1扫速下获得的比电容值为179Fg^-1。电子科技大学邓梅根等采用浓硝酸和浓硫酸的混合液对碳纳米管进行表面改性，并在其表面负载MnO₂。以此CNT/MnO₂复合材料制备电极，其比容可达134Fg^-1，并具有良好的功率特性和循环寿命。Chen等采用水-异丙醇双溶剂体系中软化学方法合成了针状MnO₂修饰的石墨烯复合材料，在1molL^-1Na₂SO₄溶液中的比电容为197.2Fg^-1，1000次充放电循环后仍保持较高的165.9Fg^-1。北京化工大学田艳红等通过共沉淀法制备了石墨烯/MnO₂复合材料，提高了活性材料的电导率，进而提高了活性材料的利用率，使其比电容达到313Fg^-1，其高倍率充放电性能和循环寿命均得到提高。然而，目前这些碳纳米材料大多采用化学气相沉积法进行制备，反应条件苛刻，需要高温高压，并且产量低，后处理复杂，其工业化生产技术还不成熟，制备成本非常高，离实际应用还有一段较长的距离。因此，寻求制备周期短、价格便宜、步骤简单的方法来制备新型MnO₂材料，用作超级电容器的正极材料，组装高性能器件化的超级电容器，将促进超级电容器技术的进步和发展。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种氮碳材料包覆二氧化锰纳米线的制备方法，解决现有MnO₂导电性差、利用率低、比容量低的缺点，以及材料制备技术上存在的成本高，步骤复杂等问题，提供一种简单、温和的方法合成高性能MnO₂改性电容材料，提高其电容性和电化学稳定性。并以其作为超级电容器正极材料，以活性炭为负极材料，构建高性能复合型超级电容器。

技术方案：本发明公布的一种氮碳材料包覆二氧化锰纳米线的制备方法包括以下步骤：

1)采用水热法合成二氧化锰纳米线：将醋酸锰与表面活性剂溶解于水中，加热使其形成均匀溶液；加入高锰酸钾，搅拌下反应后转移至反应釜中反应，待其自然冷却后将所得物质进行抽滤、水洗、醇洗、烘干，制得二氧化锰纳米线；