[发明专利]一种锂插层二氧化锰‑氮化钛纳米管复合材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学储能材料领域，特别涉及一种锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料，还涉及该电极材料的制备方法，还涉及该电极材料在锂离子超级电容器中的应用。

背景技术

能源是人类生存和社会良好发展的重要基础，随着人口的急剧增长和经济的迅猛发展，石化类能源的日益枯竭，能源危机已成为当今世界各国面临的难题，如何进行新能源的开发、存储和合理利用直接关系到人类社会的可持续发展。因此，发展新能源是21世纪必须解决的重大课题。随着科学技术的进步，电动汽车、航空航天、移动通讯、国防科技、新能源发电(风能、太阳能等)和新型电磁武器的发展，人们对高性能电能存储设备需求越来越迫切。

目前，任何一种储能技术均有自身的优点和缺点。例如，铅酸电池生产成本最低，但其使用寿命低、能量密度低，且带来坏境污染；镍氢电池具有良好的功率特性，但与锂离子电池相比，同样具有能量低和使用寿命短的不足；锂离子电池能量密度高，其能量密度范围为120～200Wh/kg，但正负极全靠嵌脱锂储能，电极材料在反复的充放电过程中遭受极大的体积变化与不可逆相变，导致使用寿命大大降低，并且受锂离子迁移速率的限制，进一步限制了其在短时间内需要实现快速充放电的高功率设备上的应用。而基于“电双层”原理双电层电容器具有最高的功率密度，其功率密度在2～5kW/kg之间或更高，兼具有数十万次循环使用寿命的优点，但其工作电压窗口低，能量密度也仅为2～5Wh/kg，大大限制了其可应用性。因此，寻求同时具有高比容量和高比功率、循环寿命长等优异性能且廉价、清洁的新能源装置，是世界范围内能源领域的科学家们最关心的课题之一。

锂离子电容器一般是采用锂离子电池负极材料、超级电容器正极材料以及锂离子电解质构建的新一代高性能储能器件，它基于双电层（或者法拉第）电容和锂离子电池的作用原理进行协同储电，具有功率和能量密度高、倍率特性好、循环效率高、使用寿命长、单位功率成本低等优点，日益受到广泛关注，逐步用于电动车辆等领域。然而，现有的锂离子电容器一般是正极采用活性炭材料、负极采用嵌锂的碳材料或者嵌锂的多金属氧酸盐材料、电解液采用锂离子有机物的电容器，该电极材料的电导性能和储电性能还有待进一步提高。

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料。

技术方案：本发明提供的一种锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料，所述复合材料包括氮化钛纳米管、沉积在氮化钛纳米管内部和氮化钛纳米管间隙中的锂插层二氧化锰，氮化钛纳米管、沉积在氮化钛纳米管内部和氮化钛纳米管间隙中的锂插层二氧化锰形成同轴异质纳米管阵列结构。

作为优选，氮化钛纳米管壁厚为10～20nm、直径为80～150nm、高度为900～1100nm，相邻氮化钛纳米管的间隙为30～60nm。

本发明还提供了上述锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）氮化钛纳米管电极基体材料制备：以氟化铵、磷酸和乙二醇混合水溶液为反应电解质，以钛片为工作电极，铂片为对电极，采用阳极氧化法以25-35V的工作电压反应2-4h制得二氧化钛纳米管阵列；二氧化钛纳米管阵列先在空气中以400-500℃煅烧1-3h，再在氨气气氛中以750-850℃煅烧1-3h得氮化钛纳米管电极基体材料；

（2）采用醋酸锰和硫酸锂的混合水溶液为反应电解质溶液，以氮化钛纳米管电极基体材料作为电极基体材料并作为工作电极，以铂片为辅助电极，以饱和甘汞电极为参比电极，在三电极电化学反应体系中采用电化学插层-沉积反应合成方法制备锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料。

步骤（1）中，混合水溶液中，氟化铵的浓度为0.1-0.3mol/L，磷酸浓度为0.4-0.6mol/L，乙二醇浓度为8-10mol/L。

步骤（2）中，醋酸锰和硫酸锂的混合水溶液中，醋酸锰的浓度为0.01-0.03mol/L，硫酸锂的浓度为0.8-1.2mol/L。

本发明还提供了上述锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料在锂离子超级电容器制备中的应用，所述锂离子超级电容器正负电极材料均为锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料，电解质为液态相锂离子电解质或固态相锂离子电解质。