[发明专利]介孔四氧化三钴纳米棒及其制备方法、超级电容器电极材料以及电极

说明书

技术领域

本发明涉及一种介孔四氧化三钴纳米棒及其制备方法、包含有该介孔四氧化三钴纳米棒的超级电容器电极材料以及利用该电极材料制成的超级电容器电极。

背景技术

超级电容器是继化学电池、燃料电池、混合动力产品后出现的新一代储能装置，具有能量密度高、寿命长、充电快等优势。更重要的是，超级电容器中电极材料与电解液间简单的电荷分离有利于能量的快速储存和运输，是传统介电电容器和高储能密度蓄电池、燃料电池之间的重要桥梁。美国能源部早已把超级电容器列为未来储能系统的重要装置，世界多国也已投入大量时间和资金研究和发展超级电容器。我国现有超级电容器企业10余家，但水平远低于欧美日等国。因此，加大加快发展超级电容器已刻不容缓。

决定超级电容器性能优劣的关键是电极材料。根据储能原理，电极材料分为两类：一类是双电层材料，这类材料导电性、循环性好但比电容较低。另一类是赝电容材料，这类材料比电容高但导电率低。早期的RuO₂化学稳定性好、比电容高，但价格昂贵而难以在实际中大规模使用。因此，研究人员将目光投向了价格低廉，自然资源储备量大的过渡金属氧化物，如MnO_x、Co₃O₄、Fe₃O₄、V₂O₅和NiO等。其中，Co₃O₄具有优异的电子储备能力，被认为是一种较为理想的超级电容器电极替代材料。近些年来，结构各异、形貌不同的Co₃O₄纷纷被制备出来用作电极材料加以研究，包括气凝胶(文献Chem.Mater.,2009,21,3228-3233.所报道)、膜材料(文献J.Power Sources,2002,108,15-20.所报道)和空心微米球(文献J.Solid State Chem.,2009,182,1055-1060.所报道)等。研究发现，纳米过渡金属氧化物可以大大缩短电解液离子传输路径，有利于物质转移，从而大大提高比电容。纳米级的Co₃O₄作为电极材料具有良好的电化学性能，其比电容是碳材料理论容量的两倍多。

理想的电极材料应该满足以下几点要求：高比表面积决定了比电容大小；可控的孔结构显著影响比电容和倍率特性；高导电率是决定倍率特性和功率密度的重要因素；较多的电化学活性点可以增加赝电容产生部位；良好的热稳定性、化学稳定性和机械稳定性确保可靠的使用寿命；原料价廉易得。

最新研究进一步明确指出，电极材料合适的孔隙度能大幅改善其电化学性能。其中，介孔材料(孔径在2-50nm之间)作为电极材料有着突出的优势：(1)比表面积大，可以提高电解液与电活性物质的有效接触面积。(2)理想的孔结构可以改善电解液的流通路径(文献J.Am.Chem.Soc.,2013,135,18968-18980.所报道)。此外，孔的利用率和润湿性、以及它与溶剂化的阴、阳离子大小匹配的尺寸对于电极材料至关重要。从目前的研究结果看，介孔材料的表面积可以被充分利用，在高电流密度下和很宽的电流密度区间内保持较大的比电容(文献J.Mater.Chem.,2012,22,93-99.所报道)。同样的，Co₃O₄的介孔结构有利于离子从电解液输送到材料表面，有望解决此类材料倍率特性不佳的问题。

综上所述，过渡金属氧化物电极材料的制备受到广泛的关注，其应用价值较高。但目前现有的Co₃O₄电极材料距离其理论比电容仍有较大差距，这是由于现有的Co₃O₄电极材料比电容不大、化学稳定性不高和循环性较差，从而导致Co₃O₄电极材料在超级电容器中的应用受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种介孔四氧化三钴纳米棒及其制备方法、超级电容器电极材料以及电极，由该介孔四氧化三钴纳米棒制成的超级电容器电极具有优异的电化学可逆性、比电容高、电荷传递电阻低、电荷传递内阻低和稳定的循环性等特性。