[发明专利]一种石墨烯包覆二氧化锰的复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子功能材料技术领域，涉及超级电容器中复合电极材料及其制备方法。

技术背景

超级电容器是一种能在数秒内完成充放电的一种新的储能元件，同时具有比容量大、功率密度高、循环寿命长和对环境友好等特点（ACS Nano 2010;4(3):1587–1595），在电动汽车，通讯、军事、航空航天等领域有着广泛的应用。根据储能机理的不同，超级电容器可分为两种（Phys.Rev.Lett.2008;101(096802):1-4.），即基于表面静电吸附的双电层电容器和基于可逆的氧化还原反应的法拉第准电容器。双电层型电容器的电极材料通常采用具有高比表面积的活性碳材料，如活性炭、碳纳米管、碳气凝胶等。碳材料有着稳定性好、导电性佳，成本低等一系列优点，但同时也存在容量低、能量密度低的致命缺点。而金属氧化物和导电聚合物则是法拉第准电容器的电极材料。这一系列材料的优点是有很大的比容量和能量密度。但是由于电极反应牵涉到了化学反应过程，往往会有不可逆的成分存在，所以循环稳定性相对较差。目前的研究趋势是利用上述两种不同储能机理制备出综合提高能量密度和功率密度的复合电极材料。

石墨烯是一种只有单原子厚度的新二维碳材料，具有大的比表面积(>2630m²/g)，优异的导电、导热性能，现已应用于在超级电容器领域（Adv.Energy Mater.2011;1:917–9221,J.Power Sources2011;196:6003-6006）。但是，石墨烯材料在制备的过程中容易发生团聚，严重地影响到其本身的性能。在法拉第电容器电极材料中，氧化锰由于其成本低，环境友好等优点引起了大量的关注，但是氧化锰在作为超级电容器电极材料时有着致命的缺陷是：导电性差、循环性能不理想。

发明内容

本发明提供了一种石墨烯包覆二氧化锰的复合电极材料及其制备方法。所述复合电极材料由石墨烯包覆于纳米二氧化锰颗粒表面，能够增加电极材料的导电性和循环稳定性；同时，纳米二氧化锰颗粒的存在也有效地防止了石墨烯的团聚，显著增加了电极材料的比容量。所述制备方法直接由纳米二氧化锰出发制备石墨烯包覆二氧化锰的复合电极材料，该方法工艺简单、易于控制复合材料中二氧化猛的含量和粒径、方便石墨烯包覆二氧化锰颗粒，并且在制备过程中不会引入其它杂质离子，反应产物纯度高，是一种制备石墨烯复合材料的理想方法。

本发明采用石墨烯包覆纳米二氧化锰颗粒制备了超级电容器复合电极材料，用石墨烯包覆二氧化锰，可增加电极材料颗粒的导电性和循环稳定性；同时，二氧化锰颗粒的存在也有效地防止了石墨烯的团聚，显著增加了超级电容器电极材料的比容量。

本发明首先通过还原高锰酸钾溶液制备了α型纳米二氧化锰颗粒（PDF Card：44-0141），粒径在200nm左右（见图1），再将制备的纳米氧化锰颗粒加入到氧化石墨烯分散中，得到氧化石墨烯包覆二氧化锰的分散液，最后加入还原剂，对氧化石墨进行还原，得到石墨烯包覆二氧化锰的复合电极材料。

本发明详细技术方案如下：

一种石墨烯包覆二氧化锰的复合电极材料，包括石墨烯和纳米二氧化锰颗粒，所述石墨烯包覆于纳米二氧化锰颗粒表面，其中石墨烯与纳米二氧化锰颗粒的质量比在1:(1.25~10)范围内。

一种石墨烯包覆二氧化锰的复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：分别制备纳米二氧化锰颗粒和氧化石墨。

所述纳米二氧化锰颗粒采用抗坏血酸还原高锰酸钾的方法制备，具体过程是：称取0.632g高锰酸钾溶于30ml去离子水中，得到一份高锰酸钾溶液；称取0.706g抗坏血酸溶于20ml去离子水中，得到一份抗坏血酸溶液；然后将一份高锰酸钾溶液与一份抗坏血酸溶液混合均匀后，室温下搅拌反应30分钟，再用蒸馏水和无水乙醇分别清洗3次，最后在90℃的干燥箱中干燥12小时得到纳米二氧化锰颗粒。所得纳米二氧化锰颗粒为α型纳米二氧化锰颗粒（PDF Card：44-0141）。