[发明专利]一种MnCo2O4/Co2(OH)3Cl复合材料的水系不对称型超级电容器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种MnCo₂O₄/Co₂(OH)₃Cl复合材料的水系不对称型超级电容器及其制备方法，属于超级电容器技术领域。

背景技术

能源短缺和环境污染已成为当今社会普遍关注的问题，寻找清洁、可再生的能源已经成为世界各国共同关注的热点问题。超级电容器具有高的功率密度、快速的充放电、稳定的循环寿命以及环境友好，很快地吸引了研究者的关注。目前，已商业化的超级电容器多数是以碳材料组装的对称超级电容器，其在水系中能量密度在3～4Wh/kg。相比于锂离子电池(30～200Wh/kg)，其较低的能量密度限制了大面积的商业应用。因此，在保证高功率密度的前提下，提高能量密度成为超级电容器研究的一个热点。

组装不对称超级电容器是一种有效的提高能量密度的方法，其可以利用两个不同电压窗口的电极材料进而增加电压窗口，从而提高能量密度。不对称超级电容器通常由双电层碳材料作为负极材料，赝电容材料作为正极材料组装而成。赝电容材料主要有金属氧化物、导电聚合物以其复合物等。其中金属氧化物(如 RuO₂、MnO₂、NiO和Co₃O₄等)由于具有高的比容量和优异的循环可逆性而得到广泛的研究。

近期研究发现，双金属氧化物作为赝电容材料具有很好的应用前景，一方面双金属氧化物相比于单一的金属氧化物具有更高的比容量，另一方面双金属氧化物具有较高的电导率，进一步增强其循环性能。基于成本低、环境友好等方面考虑，Co、Mn双金属氧化物成为下一代最有潜力的高性能超级电容器电极材料之一。文献(“Electrochemically alternating voltage tuned Co₂MnO₄/Co hydroxide chloride for an asymmetric supercapacitor”,Mingjun Jing et al.Electrochimica Acta, 165(2015)198～205)公开了一种Co₂MnO₄/Co hydroxide chloride复合材料的水系不对称型超级电容器，其具有较高倍率性能和能量密度，但是其循环性能较差，在2A/g的电流密度下，经过3000次循环，容量保持率仅为70％，限制了其实际的应用。

发明内容

针对现有的水系不对称型超级电容器存在的循环性能较差的缺陷，本发明的目的是在于提供一种具有高循环稳定性能，且能量密度和比容量较高的 MnCo₂O₄/Co₂(OH)₃Cl复合材料的水系不对称性型超级电容器。

本发明的另一个目的是在于提供一种简单、低成本制备所述 MnCo₂O₄/Co₂(OH)₃Cl复合材料的水系不对称性型超级电容器的方法。

为了实现本发明的技术目的，本发明提供了一种MnCo₂O₄/Co₂(OH)₃Cl复合材料的水系不对称型超级电容器，由MnCo₂O₄/Co₂(OH)₃Cl复合材料正极、碳材料负极、隔膜、电解液和外壳组成，所述的MnCo₂O₄/Co₂(OH)₃Cl复合材料正极中MnCo₂O₄与Co₂(OH)₃Cl的摩尔比例为5～6:1；所述的碳材料负极由氮掺杂碳纤维与乙炔黑和PVDF的混合材料涂覆在泡沫镍上制备得到。

优选的MnCo₂O₄/Co₂(OH)₃Cl复合材料的水系不对称型超级电容器中，氮掺杂碳纤维通过如下方法制备得到：将聚吡咯纤维与KOH按质量比1:3～5研磨混合后，置于管式炉中，在氮气气氛下，以5～10℃/min的速率升温到600～750℃进行焙烧1～2h，冷却，洗涤，干燥，即得。冷却过程为随炉冷却。洗涤过程采用HCl溶液作为洗涤液。干燥过程为在100℃的真空条件下干燥。