[发明专利]一种用于超级电容器的MnO2/碳复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新能源材料制备技术领域，特别涉及一种用于超级电容器的MnO₂/碳复合材料的制备方法。

背景技术

超级电容器作为一种新型储能装置，具有循环寿命长、充放电速度快、功率高以及对环境友好等特点，因此受到国内外科学家的广泛关注。超级电容器的种类按其工作原理可以分为双电层电容器、法拉第赝电容器。双电层电容器基于双电层理论，利用电极和电解质之间形成的界面双电层电容来储存能量。法拉第准电容器则基于法拉第过程，即在法拉第电荷转移的电化学变化过程中产生，不仅发生在电极表面，而且可以深入电极内部，因此可以获得比双电层电容器更高的电容量和能量密度。

为开发出性能优良的超级电容器，至关重要的就是适合超级电容器应用的具有较高比容量的电极材料的开发，所选电极材料必须容易在电极/电解质界面上形成较高的双电层电容或法拉第赝电容，并具有适当的力学稳定性，以及良好的离子、电子导电性。目前主要集中在碳基材料和过渡金属氧化物材料的研究。其中碳基材料主要利用大比表面积产生的双电层电容量，并且大孔和介孔有利于降低大电流密度下的电位极化，而微孔则有助于提高比表面积，增大比电容。在最近的研究中，对贵金属氧化物电极电容器的研究，主要采用RuO₂，IrO₂等贵金属氧化物作为电极材料，由于RuO₂电极的导电性比碳电极好，电极在硫酸中稳定，可以获得更高的比能量，是一种性能优异的电极材料，制备的电容器比碳电极电容器具有更好的性能，因此具有很好的发展前景。但是，由于贵金属的资源有限、价格昂贵限制了它的使用。过渡金属系的氧化物，由于金属原子的多氧化态，在外加电压的作用下，大都能产生快速的氧化还原反应，从这一基本原理出发，可以预见，位于元素周期表的过渡金属区域元素的氧化物都可具有与氧化钌相似的赝电容性能。经研究证明，氧化锰均有较好的超级电容特性，开发这些替代品是一个重要的发展方向。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于超级电容器的MnO₂/碳复合材料的制备方法，以水热法合成的单分散纳米碳球(Carbon sphere，简称CS)为模板，通过KMnO₄溶液与碳球表面的氧化还原反应在碳球表面原位形成MnO₂层，通过水热条件控制碳球模版的尺寸，通过碳球热处理条件控制其表面还原性基团的活性，通过所用KMnO₄浓度、反应温度和反应时间条件控制氧化还原反应进行的程度，进而达到控制MnO₂层和碳球核心的相对比例的目的，最后制备出MnO₂/碳球复合结构陶瓷粉体；该粉体产品同时具备了多孔碳的双电层电容和MnO₂的赝电容；实验过程中通过对各合成条件的调节，在获得具有高比表面积、多级孔结构的同时，也使材料具有高的比容量和低的电荷转移电阻，以满足其在超级电容器上的应用要求。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种用于超级电容器的MnO₂/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将60-120g葡萄糖或蔗糖或果糖溶于900mL去离子水中，搅拌至澄清溶液后，转移至1000mL水热反应釜中；150-250℃、900r/min转速，水热1-10h，所得前驱体溶液经离心、水洗、醇洗各3次后，在50-80℃真空烘箱中干燥10-20h，制备出单分散碳球；

步骤二、取1-5g单分散碳球在100-1000mL、0.5M-5M浓NaOH溶液中加热处理，加热温度为50-90℃，加热时间为0.5-12h，然后将混合物溶液离心、水洗、醇洗各3次后，在50-80℃真空烘箱中干燥10-20h，所得固体再在真空或者惰性气氛中煅烧处理，煅烧温度为300-1000℃，煅烧时间为0.5-5h；

步骤三、以步骤二改性处理后的碳球为模板，置于100-1000mL，2.5-25g/L的KMnO₄水溶液中，室温搅拌陈化0.5-5h，得到沉淀，将沉淀离心，水洗、醇洗各3遍后，于50-80℃真空烘箱中干燥10～20h，得到CS@MnO₂包裹粉。

通过上述工艺即可获得比表面积大、比电容高、功率密度高的MnO₂/碳球复合陶瓷粉体。