[发明专利]超级电容器用复合电极材料及其制备方法以及超级电容器

说明书

技术领域

本发明涉及一种超级电容器用复合电极材料及其制备方法以及应用该电极材料的超级电容器。

背景技术

超级电容器作为一种拥有高能量密度，高功率密度以及高循环稳定性的储能器件，越来越受到人们的关注。超级电容器的性能取决于电极材料，根据储能机制可分为两类：一是利用双电层机制来储存能量的双电层材料，如活性炭、活性炭纤维、碳纳米管、炭凝胶等，这种材料是依靠静电吸附电解液离子来达到储能的目的；二是利用电极材料与电解液离子发生氧化还原反应来储能的赝电容材料，如氧化钌、氧化钒、氧化镍和二氧化锰等，由于这种材料涉及到吸附/脱附或氧化/还原反应，因此具有更高的比容量。在赝电容材料中，二氧化锰来源丰富、价格低廉、安全无毒、具有较高的赝电容，理论比电容量达到1400F/g，被看作是具有工业化应用前景的赝电容电极材料。然而，二氧化锰赝电容材料由于其导电性较差，法拉第电容电荷无法快速充放形成有效电容，使得实际测得的δ-MnO₂的比电容量仅仅达到236F/g。

将石墨烯作为复合材料中的骨架材料，在其上负载赝电容材料或导电聚合物，所合成的复合材料兼具双电层电容与法拉第电容，可以充分利用石墨烯在电导率、比表面积以及化学稳定性方面的良好性能，促进赝电容材料或者导电聚合物中法拉第电容电荷的快速传递，从而表现出较高的能量密度，功率密度以及循环稳定性；同时，柔性自支撑的碳基材料增强了复合材料的机械性能。然而，通常情况下，二维结构的晶体并不稳定。作为一种二维结构的原子晶体，石墨烯的薄层结构容易发生团聚、堆叠，这会大大缩减石墨烯的有效比表面积，使石墨烯本身的优良特性难以发挥出来。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种新型的超级电容器用复合电极材料及其制备方法以及应用该电极材料的超级电容器。

一种超级电容器用复合电极材料的制备方法，其包括以下步骤：1)制备三维氧化石墨烯-羟基化碳纳米管气凝胶，包括：1-1)制备氧化石墨烯-羟基化碳纳米管分散液；1-2)进行水热反应得到三维氧化石墨烯-羟基化碳纳米管复合凝胶；以及1-3)将该复合凝胶冷冻干燥得到三维氧化石墨烯-羟基化碳纳米管气凝胶；2)在高锰酸钾溶液中均匀分散炭黑颗粒，得到炭黑颗粒-高锰酸钾分散液；以及3)将上述三维氧化石墨烯-羟基化碳纳米管气凝胶在该炭黑颗粒-高锰酸钾分散液中进行水热反应，得到该复合电极材料。

一种超级电容器用复合电极材料，包括石墨烯-碳纳米管三维多孔导电载体及多个二氧化锰多孔二次球形结构，该石墨烯-碳纳米管三维多孔导电载体包括多个石墨烯及多个碳纳米管，该多个碳纳米管设置在该多个石墨烯之间，使该多个石墨烯之间相互间隔；该多个二氧化锰多孔二次球形结构包括炭黑颗粒和多个二氧化锰纳米片，该多个二氧化锰纳米片从该炭黑颗粒表面向外延伸，且相互连接形成一珊瑚状多孔结构，并将该炭黑颗粒包覆于该珊瑚状多孔结构之中，该多个二氧化锰多孔二次球形结构覆盖在该三维多孔导电载体表面。

相较于现有技术，本发明将碳纳米管与石墨烯共同构建三维多孔结构作为载体，以炭黑颗粒为生长点生长二氧化锰多孔结构，使得到的复合电极材料具有优异的电化学性能。三维多孔结构可以有效地支撑二氧化锰赝电容材料，避免了由于材料间的相互堆叠造成电极材料与电解液之间的接触不充分。同时，炭黑颗粒强化了法拉第电荷的转移，从而提高复合电极材料的比电容量和循环稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例复合电极材料中的三维氧化石墨烯-羟基化碳纳米管气凝胶的SEM照片。

图2为本发明实施例复合电极材料中的三维氧化石墨烯-羟基化碳纳米管气凝胶的透射电镜(TEM)照片。

图3为本发明实施例复合电极材料的扫描电镜(SEM)照片。

图4为本发明实施例复合电极材料的XRD图谱。

图5为本发明实施例复合电极材料在不同扫描速率下的循环伏安曲线。

图6为本发明实施例复合电极材料、二氧化锰粉末与炭黑颗粒机械混合形成的电极材料以及三维石墨烯在200mv/s扫描速率下的循环伏安曲线。

图7为本发明实施例复合电极材料在不同电流密度下的恒流充放电曲线。

图8为本发明实施例复合电极材料、二氧化锰粉末与炭黑颗粒机械混合形成的电极材料以及三维石墨烯在0.3A/g电流密度下的恒流充放电曲线。

图9为本发明实施例复合电极材料和二氧化锰粉末与炭黑颗粒机械混合形成的电极材料30A/g电流密度下的恒流充放电循环性能测试图。

具体实施方式