[发明专利]用于超级电容器的三维纳米结构的电极材料及其应用

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器储能器件领域，特别涉及用于超级电容器的三维（3D）纳米结构的导电聚合物或其与过渡金属氧化物的复合物的电极材料及其应用。

背景技术

超级电容器是近年来发展较为迅速的一种介于电池和传统电容器之间的新型电化学储能器件。与传统电容器相比，它具有较高的能量密度、较大的功率密度、较长的循环寿命及快速电荷分离等特性，很好地填补了传统电容器和化学电源之间的空白，并以其优越的性能及广阔的应用前景而受到国内外的广泛关注。目前已经应用于各类机动车辆的启动电源、固定线路电动车的牵引电源、安全气囊、UPS系统、电磁开关、光伏电池蓄电、电网稳定、无线电发射等功率器件中。在军事领域，也有将超级电容器应用于坦克、火箭牵引等启动能源之中。

电化学超级电容器储能主要分为两类：法拉第赝电容器和双电层电容器。通常，在相同体积或重量的情况下，赝电容器的电容量约为双电层电容器的电容量的10～100倍。赝电容器的电极材料主要包括过渡金属氧化物和导电聚合物。例如氧化钌水合物的比容量可高达约1000F/g，但贵金属其高昂的价格以及较大的毒性，阻碍了其在商业中的广泛应用。相比而言，导电聚合物则兼具价格低廉、高导电性、易于合成加工等优点而备受关注。特别是聚（3，4-二氧乙基）噻吩（PEDOT），与聚苯胺或者聚吡咯相比，具有更好的稳定性，主要表现为电导率稳定性和环境稳定性，同时表现出快速可逆的掺杂/脱掺杂速率等特性，在超级电容器领域具备更大的优势。

CN 101635201A公开了一种聚吡咯纳米线阵列电极，并将其应用在超级电容器领域，表现出了较好的电容特性。但此阵列电极所采用的制备方法是电化学聚合，因此其稳定性和重复性不易控制，同时不能大规模合成，很大程度上限制了其实际应用。

CN 101599369A公开了一种掺杂金属离子聚苯胺用于超级电容器电极材料，经过三电极体系测试，其在水体系电解液中比容量为350F/g，在有机电解液中质量比容量为100F/g。专利中报道的比容量是在三电极体系下测试的，并未进行电容器的组装，与两电极测试系统相比，比容量值远远偏高，与实际应用相差较远。

目前，通过研究改善超级电容器的电容特性，比较直接有效的方法就是通过提高超级电容器活性材料的电导率及比表面积。近年来，3D结构纳米材料，由于其具有特殊的结构和功能，能够有效促进电解液中离子的传递、电极材料中电荷的转移，同时缩短离子、电子的扩散距离而很好地满足超级电容器的电极材料的要求。本案发明人在CN 201010243098.5中公开了新型3D“菊花状”的聚（3，4-二氧乙基）噻吩（PEDOT）的纳米结构材料的制备方法，该方法简便易行，可批量生产3D“菊花状”的PEDOT的纳米结构材料，能够很好的满足商业应用要求。此外，这种材料由于具有较高的电导率及较大的比表面积，将其作为超级电容器的电极材料可进一步研究其电容特性。通常，导电聚合物超级电容器的电极材料，由于在充放电过程中受力不均，在可逆掺杂/脱掺杂过程中导电聚合物骨架存在一定的膨胀和收缩，影响超级电容器的循环使用寿命。因此，通过复合过渡金属氧化物提高其比电容并同时改善其循环使用的稳定性是本发明的目的所在。目前对于3D纳米结构的聚噻吩类导电聚合物及其与过渡金属氧化物的复合物分别作为超级电容器的电极材料尚没有文献和专利报道。

发明内容

本发明的目的是提供用于超级电容器的三维（3D）纳米结构的导电聚合物或其与过渡金属氧化物的复合物的电极材料。

本发明的再一目的是提供用于超级电容器的三维（3D）纳米结构的导电聚合物或其与过渡金属氧化物的复合物的电极材料的应用。

本发明的用于超级电容器的三维（3D）纳米结构的电极材料的组分及含量为：

作为活性材料的三维（3D）的聚（3，4-二氧乙基）噻吩（PEDOT）的纳米结构材料或三维（3D）的聚（3，4-二氧乙基）噻吩（PEDOT）的纳米结构材料与二氧化锰颗粒的复合物的质量百分含量为75%～100%，作为导电剂的乙炔黑的质量百分含量为0%～15%，作为粘结剂的聚四氟乙烯（PTFE）或聚偏氟乙烯（PVDF）的质量百分含量为0%～10%。

所述的三维的聚（3，4-二氧乙基）噻吩的纳米结构材料与二氧化锰颗粒的复合物的粒径在500nm～900nm之间。

所述的三维的聚（3，4-二氧乙基）噻吩的纳米结构材料与二氧化锰颗粒的复合物中的二氧化锰颗粒的粒径在2～10nm之间。