[发明专利]一类层状钙钛矿型纳米氧化物的超级电容器电极材料

说明书

本发明涉及一类层状钙钛矿型纳米氧化物的超级电容器电极材料，它具有化学式为L_2‑xX_xMO_4‑δ的214型层状钙钛矿结构的掺杂铁/锰/钴/镍酸盐氧化物纳米材料，和担载Ag的层状钙钛矿结构的掺杂铁/锰/钴/镍酸盐氧化物纳米材料，以及复合了石墨烯的层状钙钛矿结构的掺杂铁/锰/钴/镍酸盐氧化物纳米材料。化学式中L为La，Pr，Nd，Sm等三价的稀土金属离子的一种或混合，X为Mg、Ca，Sr，Ba，Pb等二价金属离子的一种或者混合，M为Fe,Mn,Co,Ni的一种或者混合，并且0≤x≤2，‑1≤δ≤1。这类层状钙钛矿结构的掺杂铁/锰/钴/镍酸盐的钙钛矿结构氧化物的纳米材料包括：晶粒子尺度在10‑100nm的纳米粉体，厚度为50‑1000nm的薄膜，以及直径为100‑500nm，长度在500‑5000nm的纳米纤维。

技术领域：

本发明涉及一类层状钙钛矿型纳米氧化物的超级电容器电极材料，特别是具有良好电化学性能的层状钙钛矿结构的掺杂铁/锰/钴/镍酸盐氧化物纳米材料及在超级电容器中的应用，属于超级电容器领域。

背景技术：

超级电容器是一种新型电源装置，又称为电化学电容器，是一种通过电极/溶液界面的电化学过程存储能量的电容器，由于超级电容器具有功率密度高，循环寿命长，充放电速度快，使用温度范围宽，安全环保等优势，成为新能源应用领域的重要组成部分。超级电容器可以看作是一种介于物理电容器和二次电池之间的能源器件，但是，与锂离子等传统的储能器件相比，超级电容器的能量密度相对较低。因此，如何提高这类能源器件的能量密度是实现器件大规模实际应用的关键。

超级电容器的能量密度主要决定于电极材料的比容量和电压窗口，因此，电极材料的性能是决定超级电容器性能的关键因素。一般超级电容器的电极材料分为两类，一类是以碳材料为主具有高比表面积电极材料，通过静电作用在固/液界面形成双电层存储电荷，这类材料制作的超级电容器称为双电层电容器；另一类材料则是通过表面的欠电位沉积或法拉第氧化还原反应完成电荷存储和释放，这类材料以过渡金属氧化物为主，例如：以MnO₂、NiO等为电极材料的赝电容超级电容器。与双电层电容器相比，赝电容电容器的电极材料往往具有更高的比容量和电压窗口，表现更好的电化学性能。

钙钛矿型氧化物材料是一类新型的超级电容器电极材料。对于钙钛矿型氧化物电化学性能的研究目前还处于起步阶段，钙钛矿结构材料应用于超级电容器的报道较少。目前已经报道的钙钛矿型超级电容器电极材料一般都具有ABO₃的结构特征，这类材料具有良好的导电性能和较好电化学性能，如：钙钛矿型LaFeO_3-δ的比电容值约为200F/g，SrCoO₃的比电容值约为170F/g(F.Xiao et al.Materials Chemistry and Physics,2005,94221-225；A.Rai et al.Solid State Ionics,2014,262,230-233)；同样，纳米纤维状的钙钛矿型LaNiO₃的比容量值则高达1200F/g，但是电压窗口只在0.5V左右(X.Liu etal.AppliedSurface Science,2016,384,92-98)。而Sr掺杂的LaMnO_3-δ的电压窗口虽然高达2.0V左右，但是比电容量只能达到230F/g，(X.W.Wang et al.Journal of Alloys and Compounds2016,675,195-200)。

我们注意到，这些已经报道的ABO₃型钙钛矿结构的氧化物超级电容器电极材料的电化学性能，往往表现出很高的比电容量和较小窗口电压，或者当窗口电压很大时比电容量又不是很高，从而导致超级电容器最终的比能量密度不是很大。因此，进一步提高超级电容器电极材料的能量密度则有赖于新型超级电容器电极材料。

发明内容：