[发明专利]一种制备过渡金属氧化物超级电容器电极的方法

说明书

本发明公开了一种制备过渡金属氧化物超级电容器电极的方法，电解液以磷酸氢二钾为溶质，甘油或甘露醇为溶剂，阳极和阴极分别为洁净的过渡金属片和碳电极，控制电解液在一定温度下，在低电流密度下对过渡金属片表面进行阳极氧化，得到所述电极。本发明采用低场阳极氧化法，在无需退火等任何后处理的情况下即可得到空位缺陷型阳极氧化膜，具有优异的超级电容性能和极好的膜结构稳定性能，工艺简单可控，适用于工业化生产。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，涉及一种制备过渡金属氧化物的方法，具体涉及一种高温低场阳极氧化制备过渡金属氧化物超级电容电极的方法。

背景技术

超级电容器作为一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，兼具电容器的高功率密度和电池的高能量储存的特性引起人们广泛的研究和关注。其中，过渡金属氧化物因其多样的晶体结构、多变的离子价态和易制备等特点，已成为超级电容器最重要的电极材料之一。此外，很多过渡金属在自然界中储量丰富，使其今后大规模应用成为可能。

目前制备过渡金属氧化物的主流方法是水热法(S W Donne,et al.J.PowerSources,2010,195,367)和溶液-凝胶法(J Cheng,et al.J.Power Sources,2006,159,734)，它们不仅适合纳米结构的氧化物的制备，也便于氧化物的掺杂改性，但产物大多为粉末状材料，需要混合导电剂和粘结剂负载在集流体上，才能制备成超级电容器电极。这不仅增加了超级电容器电极制造的复杂程度，而且粘结剂的使用会损害其功率特性。相比较而言，使用阳极氧化法制备过渡金属氧化物具有低能耗、简便可控的优点。此外，当金属阳极氧化时，氧化物在金属基底上原位生成，金属基底可作为集流体，无需使用粘结剂即可作为超级电容器电极。

目前已经通过阳极氧化的方法制备出的过渡金属氧化物主要有TiO₂(A PSergiu,et al.Adv.Mater,2008,20,4135)、Fe₂O₃(K Lee,et al.Electrochem Commun,2011,13,657)、CuO(C Brionesf,et al.Electrochim.Acta,2010,55,4353)、MnO₂(K RPrasad,et al.J.Power Sources,2004,135,354)等。通过传统阳极氧化法所制备的过渡金属氧化物通常为宽禁带半导体，电导率低，导致其在应用于超级电容器时表现出倍率特性和功率特性差的结果。为此，人们采取不同的处理方法来提升氧化物的电导率，如引入氧空位等空位缺陷(A Sarkar,et al.Nanoscale,2019,1,3414)、与碳等导电性高的材料进行复合(Y T Xu,et al.Nano Energy,2015,11,38)等方法。然而上述方法均存在工艺复杂、能耗高以及难以调控等缺点。此外，利用传统阳极氧化法所制备的过渡金属氧化膜还表现出膜结构稳定性较差，氧化膜与金属基底结合力不佳的缺点，进而导致电极循环稳定性差。因此，如何利用简便易行的方法制备既具有优异的超级电容特性又具备稳定结构的过渡金属氧化膜成为一个具有挑战性的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备过渡金属氧化物超级电容器电极的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：以磷酸氢二钾(K₂HPO₄)为溶质，甘油或甘露醇为溶剂配制耐高温电解液，通过油浴方式将电解液温度升至高温，然后分别以洁净的过渡金属片和石墨电极作为阳极和阴极，通入低电流密度即可在过渡金属片的表面进行阳极氧化，得到空位缺陷型过渡金属氧化物超级电容器电极。

上述步骤中，过渡金属片中的过渡金属主要包括钛、铁、铜、钼等中任意一种或几种。

上述步骤中，电解液的浓度为6％～12wt％。