[实用新型]一种自支撑超级电容器电极材料的结构

说明书

一种自支撑超级电容器电极材料的结构，以高导电性的柔性基底材料作为导电支架，在其表面生长一层垂直排布、相互交联结构的具有赝电容性能的活性物质纳米片，在活性物质纳米片表面再均匀包覆一层导电聚合物。本实用新型所制备的电极材料具有高容量的同时又具有较高电化学稳定性，成功地应用于超级电容器电极并表现出优良的性能。

技术领域

本实用新型属于电化学储能领域，涉及一种具有高容量高稳定性自支撑超级电容器电极材料的结构。

背景技术

超级电容器作为一种新兴的储能器件，因其具有相对于电池更高的功率密度、快速的充放电能力、极高的寿命和环境友好而备受关注。但它的能量密度远低于电池，限制了其作为主电源方面的应用。因此，如何通过设计具有高效的电极材料来提高其能量密度成为现阶段迫切待解决的问题。

过渡金属氧化物、氢氧化物、硫化物等，因它们具有高的理论比电容而被广泛应用于超级电容器电极材料。但是由于其单一结构设计导致其高效的电容性能不能充分发挥出来。又或者应用传统工艺制备电极，因需要加入粘结剂从而降低其电化学性能。

将具有高容量的赝电容材料与高导电性的碳材料进行复合是一种广泛应用来提高材料电化学性能的方法。碳材料的加入不仅可以提高赝电容材料的导电性，减小材料的电阻，还可以一定程度上提高材料的电化学稳定性。例如：Shen 等人（Adv. Energy Mater.2015, 5, 1400977）在碳泡沫上生长NiCo₂S₄纳米片制备的复合材料用做超级电容器电极，在三电极体系中获得了1231 F/g (2 A/g) 的比电容，并且充放电循环2000 圈后仍然保持90.4% 的效率。Wen 等人（J. Power. Sources 2016, 320, 28–36）将NiCo₂S₄与多壁碳纳米管复合，在三电极体系中其比电容可达2080 F/g (1 A/g)，充放电循环2000 圈后仍然保持83% 的效率。由此可见，碳材料的引入可大大提升材料的电化学性能。但获得的比电容还是远远低于NiCo₂S₄自身的理论比电容。其原因是NiCo₂S₄自身微观结构设计的不合理，以至于与碳材料复合后不能有效的发挥出两种材料的协同作用性能。

另一方面，在长时间的充放电循环中，电极材料的微观结构会被破坏导致其性能、寿命下降。在制备具有高性能电极材料的同时，如何保持材料的电化学稳定性同样非常关键。通过在活性物质表面包覆一层薄的保护层是一种有效防止材料结构塌陷提高材料稳定性的方法。Lu 等人（Adv. Energy Mater. 2016, 4, 1300994）在TiN纳米线表面包覆一层碳，在15000次循环后其稳定性由原来的10%提高到85%。除碳包覆外，Zhou 等人（NanoLett. 2013, 13, 2078−2085）通过在CoO纳米线表面聚合一层导电聚合物PPy，不仅可以提高材料的稳定性，因PPy自身具有赝电容效应，复合材料的电容性能也有所提高。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种自支撑超级电容器电极材料的结构。通过材料复合、结构设计和导电聚合物包覆的方法，制备兼具高容量高稳定性的超级电容器电极材料。有效的解决了常规制备方法中具有赝电容性能的材料与基底结合不牢固，无序生长，内阻大，活性物质利用率不高的问题，在保持高容量的同时兼具高的电化学稳定性，为设计制备高效储能材料提供了一种有效的方法。

本实用新型是通过以下技术方案实现的。

本实用新型所述的一种自支撑超级电容器电极材料结构，其特征是以高导电性的柔性基底材料作为导电支架，在其表面生长一层垂直排布、相互交联结构的具有赝电容性能的活性物质纳米片，在活性物质纳米片表面再均匀包覆一层导电聚合物。

优选地，所述具有高导电性的柔性基底材料为碳纳米纤维、碳布、金属丝或金属箔等柔性基底。