[发明专利]一种制备MnO2纳米微球/石墨烯/活性炭柔性薄膜电极的方法

说明书

本发明涉及一种制备MnO₂纳米微球/石墨烯/活性炭柔性薄膜电极的方法，首先活性炭颗粒穿插在石墨烯片层之间增大其层间距，石墨烯充当粘结剂和导电剂，制备出柔性、自支撑石墨烯/活性炭薄膜。将其作为柔性基体，采用不同电沉积方法沉积MnO₂纳米微球，得到三者复合的柔性薄膜电极材料。本发明获得的柔性薄膜电极同时具有双电层电容和赝电容，比电容高，循环寿命长，机械柔韧性好，在可穿戴、便携式电子设备中具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种制备MnO₂纳米微球/石墨烯/活性炭柔性薄膜电极的方法，属于电子材料技术领域。

背景技术

柔性储能设备由于其潜在的应用前景，在便携式、可穿戴电子设备方面引起了广泛的关注。相比于传统的储能设备，柔性电源不仅要具有良好的稳定性、高效率和其他基本的要求，更要在反复折叠和弯曲的情况下，其电化学性能不发生明显的减小。其中，柔性超级电容器，具有快速充放电能力、较长的循环寿命和较高的能量密度，在电化学储能设备中引起了越来越多的关注。另外，具有自支撑、超薄、无胶黏剂的大电容、低成本特点的电极材料是柔性电容器的迫切需求。

碳材料，如：活性炭、碳纳米管、碳纤维和石墨烯等，都来源于自然资源，被认为是金属氧化物的理想代替者。尤其是石墨烯，具有二维蜂窝状结构、高的比表面积、高迁移率、优良的机械柔韧性和自组装性能。然而，石墨烯紧凑的层状结构和易于团聚的现象减小了比表面积的有效利用率，影响电解质的浸透，因此石墨烯不适用于超级电容器。为了提高导电率，一种原料中需包含两个明显对立的性质：多孔结构和较高密度。氧化石墨烯来自于化学改性的石墨烯，被认为是用来合成复合材料最有前景的原料。目前为止，被用来提高其能量密度的合成方法有：水热法、化学气相沉积法、电沉积法、旋涂法和自组装方法。而应用最早和使用范围最广的活性炭电极材料，很少在柔性电容器中被报道。活性炭是取之不尽、可再生的、环境友好和相对廉价的原材料，大多来自于木材、果壳、椰壳、胡桃壳、枣壳、杏壳等。并且，活性炭电极材料具有显著的性能，例如易于加工、多孔、大的比表面积和高的电化学稳定性。活性炭可与氧化石墨烯通过自组装的方式进行复合，三维多孔结构的石墨烯/活性炭复合柔性电极可以达到明显的协同作用，氧化石墨烯的加入能增加电解质离子进入的有效比表面积，并在不使用胶黏剂的条件下拥有较好的机械柔韧性能。

过渡金属氧化物、氢氧化物和聚合物与碳材料的复合材料被广泛应用在柔性电极材料中。其中，氧化锰材料被广泛认为是基于活性材料表面可发生可逆氧化还原反应的伪电容材料。对比与其他金属氧化物，MnO₂电极具有低价、高理论比电容和环境友好型等优点。然而，MnO₂电极也存在着一些缺陷，例如，低电子传导率，导致低功率密度，以及由于MnO₂活性物质在充放电循环过程中会不成比例的溶解，导致循环寿命大大降低。解决这些问题的关键是探索一种新型的柔性电极材料系统，包括材料的组装、材料的形态和分布，以及电解质的选择，即使在高电压下，也可以保证高导电性和电化学稳定性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种制备MnO₂纳米微球/石墨烯/活性炭柔性薄膜电极的方法。

本发明通过以下技术方案予以实现：

(1)将氧化石墨烯和活性炭粉末按照10:1-1:5的质量比分散在去离子水中，超声1-3h至均匀；

(2)滴加10-50μL的还原剂于上述混合溶液中，移至水浴锅80-95℃下反应2-5h，量取50-100mL抽滤成石墨烯/活性炭柔性薄膜；