[发明专利]多通道且内嵌中空Co3

说明书

多通道且内嵌中空Co₃O₄纳米颗粒的碳纳米纤维气凝胶及其制备方法，属于能源材料领域。由混合聚丙烯腈/聚苯乙烯/ZIF‑67并经过静电纺丝方法制备的纳米纤维膜为原料，依次经过剪切分散、冷冻干燥、碳化及氧化热处理构建三维纳米纤维气凝胶，独特的“双空”结构可以有效缓解活性物质充放电过程带来的电极材料体积膨胀及收缩这一共性问题，并暴露更多的电化学活性位点，同时纤维之间连续的三维“焊接”网络结构消除了界面接触电阻并提供了良好的导电性，促使电子快速传输。该三维纳米纤维气凝胶作为超级电容器的电极材料表现出高比电容、高倍率和超长循环稳定性的优异集成性能。

技术领域：

本发明属于能源材料领域，涉及功能性纳米纤维气凝胶材料，具体为多通道且内嵌中空Co₃O₄纳米颗粒的碳纳米纤维气凝胶及其制备方法。

背景技术：

随着现代社会的发展，充电时间短、功率密度高、循环寿命长及安全性能好的超级电容器(SCs)作为高效储能器件越来越受到工业界和学术界的关注。然而，SCs存在的主要问题是能量密度较低，可通过构筑非对称超级电容器(ASCs)及提升电极材料比电容来增加能量密度，其中高性能电极材料的选择与结构设计是解决该问题的关键。

过渡金属氧化物具有高的理论比电容值、天然储存量丰富、低成本和对环境友好等特征而引起关注(如CoO_x，NiO，RuO₂和MnO₂等)。其中Co₃O₄(理论比容量3560F g^-1)，被认为是理想的正极材料。由于其反应动力学迟缓和导电性差，导致电容性能和倍率性能不令人满意，另外，在充放电过程中伴随着活性物质的体积膨胀/收缩，造成循环稳定性差。为了改善并克服过渡金属氧化物的缺陷，常将其与其他电化学活性物质或与具有良好导电性和稳定性的碳材料复合制备新型多功能复合电极材料。

经检索，有关Co₃O₄基正极材料用于SCs方面的典型专利有：多孔花状NiCo₂O₄/Co₃O₄/NiO超级电容器电极材料的制备方法(CN108807013A)；一种纳米花状Co₃O₄修饰N,P掺杂多孔碳超级电容器和制备方法(CN112927953A)；Co₃O₄纳米盒、其制备方法、用途及超级电容器(CN103130283A)；一种壳核结构的碳包覆Co₃O₄超级电容器电极材料及其制法(CN111508719A)；一种氮掺杂的碳纳米片-Co₃O₄复合材料的制备方法及应用(CN109859956A)；一种负载Co₃O₄纳米颗粒的碳纤维复合材料的制备方法及所得产品(CN105332097A)等。零维粉末状、一维纤维状、二维膜状或微观结构单一Co₃O₄材料，通常会顾此失彼难以带来兼顾容量、倍率和循环稳定性的理想提升效果。本发明通过结构设计制备集多种优异性能于一体的电极材料应对这一挑战。