[发明专利]一种均匀的炭-氧化锰复合气凝胶电极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种均匀的炭‑氧化锰复合气凝胶材料的制备方法，涉及一种用于储能装置(电池、电容器)的电极材料，具有制备简单、复合均匀、成本低廉、环境友好、绿色无毒等优点。利用海藻酸钠天然结构中G嵌段含氧官能团能与多价金属阳离子发生螯合形成“蛋‑盒”结构这一独特性质，设计海藻酸钠与锰盐溶液通过乳化作用发生内部凝胶，通过冷冻干燥、炭化，并进一步低温下氧化构筑一种炭‑氧化锰复合气凝胶。本发明提供的材料性能良好、使用稳定，适合推广。

技术领域

本发明设计了一种均匀的炭-氧化锰复合气凝胶材料的制备方法，属于储能装置的电极材料技术领域。

背景技术

制造高性能的电能存储装置是开发电动汽车和可再生能源的关键要素之一。而近些年来，研究人员对于储电装置的研究集中于SC(超级电容器)与LIB(可充电锂电池)两种装置。其中，LIB得益于法拉第电荷储存机制，具有非常可观的能量密度；而SC主要得益于物理表面电荷的储存机制，在功率密度、超长循环等方面的表现十分稳定。SC和LIB之间各有优点和缺点，相互互补。过去几十年里，LIB已经成为了便携设备市场上应用范围最广的只要能源，SC也在大型混合动力汽车等领域迅速发展。而无论是LIB或是SC，对于所有的电能储存设备，其电极材料的性能是能否实现高能量密度和功率密度的关键。

锰元素在地壳中的含量丰富，是一种重要的过渡金属元素。近些年，锰的氧化物作为储能装置的电极材料引起了研究者极大的兴趣。它的优点有价格低廉、资源丰富、对环境友好无毒，理论比容量达到了1300F/g；不足有导电性差、化学性能及机械性能差、在充放电过程中容易团聚、体积膨胀、比表面积较小；所以我们考虑的解决方法是将金属氧化物纳米颗粒嵌入各种碳基质中以分离，以解决锰氧化物的团聚和体积膨胀问题。

生物质材料是近些年较为热门的电极材料之一，海藻酸钠(SA)便是其中之一。其来源于海洋生物，工业上从褐藻类或马尾藻中提取碘与甘露醇的过程中，也会作为副产物得到海藻酸钠。海藻酸钠是由β-D-甘露糖醛酸(M嵌段)和α-L-古洛糖醛酸(G嵌段)相互连接而成的一种大分子物质。其中，G嵌段含氧官能团能与多价金属阳离子发生螯合形成“蛋-盒”结构，可以巧妙地设计实验来通过乳化作用发生内部凝胶，通过一系列的工艺得到分散均匀的复合材料。专利CN109464989A报道了一种海藻酸钠凝胶球的制备方法，利用海藻酸钠易成凝胶的包埋性、可生物降解等性能，制备出了本发明成本低廉，安全无毒，吸附性能和机械性能好的材料做吸附剂，且采用的原料少，仅海藻酸钠，无需其他原料加入即可制备得到吸附性能优异的凝胶球。专利CN103041442A针对现有的医用粘合剂尤其是骨骼粘合剂所存在的粘合强度不高、存在毒副作用、人体内降解难等问题，提供一种在前人基础上改良的具有制备容易、粘结强度高、固化性能优良、生物相容性好等优点的以海藻酸钠、羧甲基纤维素钠和硫酸软骨素为材料的一种基于海藻酸钠的骨骼粘合剂及其制备方法。专利CN103087334A报道了一个海藻酸钠-沙蒿胶复合水凝胶的制备方法，是通过在海藻酸钠溶液体系中引入沙蒿胶，利用微孔碳酸钙在葡萄糖酸内酯溶液中缓慢释放出Ca2+原位形成海藻酸钠-沙蒿胶复合水凝胶，使得海藻酸钠与沙蒿胶的性能互补，从而增强了海藻酸钠基复合水凝胶的吸水性能和机械性能，从而拓展了海藻酸钠作为药物载体和组织工程材料的应用范围。

发明内容

针对上述问题，本发明通过海藻酸钠特有的螯合作用，与锰盐复合出一种海藻酸锰水凝胶。通过冷冻干燥、氮气热处理、氧气热处理等一系列工艺，最终得到一种炭-氧化锰复合气凝胶材料作为电化学原件的电极材料。

本发明所提供的制备炭-氧化锰复合气凝胶材料的方法，以海藻酸钠和锰盐为原料，主要包括以下步骤：

步骤(1)海藻酸钠水溶液的配制：将海藻酸钠固体粉末与去离子水以一定比例混合，并用磁力搅拌器搅拌均匀；

步骤(2)锰盐溶液的配制：将锰盐与去离子水以一定比例混合，并用磁力搅拌器搅拌均匀；

步骤(3)海藻酸锰水凝胶的制备：将步骤A所述海藻酸钠溶液逐滴滴入锰盐溶液中，并使其交联一段时间，得到的海藻酸锰水凝胶用去离子水洗净；