[发明专利]一种λ-MnO2电极材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学材料技术领域，涉及一种λ-MnO₂电极材料及其制备方法与应用。

背景技术

超级电容器作为一种新型贮能元件具有高功率、长寿命等独特优点，在消费电子产品、UPS(不间断电源系统)以及电动车用的混合电源系统等方面具有广阔的应用前景。超级电容器根据储能机理的不同，分为炭基超级电容器(双电层电容器)和以金属氧化物及导电聚合物为电极材料的准电容电容器。炭基超级电容器能量密度较低，为3～7Wh/kg。提高超级电容器的能量密度是亟待解决的科学难题，为了提高其能量密度，人们开始研究非对称超级电容器。非对称超级电容器将类似电池的法拉第电极(作为能量源)和电容电极(作为功率源)结合起来，从而可以提高电容器的能量密度。

将钠离子电池电极和超级电容器电极结合起来的器件被定义为钠离子电容器。Kuratani等以预掺杂钠的硬炭为负极，活性炭为正极组装了钠离子电容器，在10mA/cm²的放电电流密度下的容量是放电电流密度为0.5mA/cm²的70％，能达到锂离子电容器的水平[KentaroKuratani,MasaruYao,HiroshiSenoh,NobuhikoTakeichi,TetsuoSakai,TetsuKiyobayashi,Na-ioncapacitorusingsodiumpre-dopedhardcarbonandactivatedcarbon,ElectrochimicaActa,76,320-325,2012.]。Yin等以多孔炭和Na₂Ti₃O₇分别作为正极和负极材料构成钠离子电容器，按正负极材料总质量计算得的能量密度达34Wh/kg，高于对称的双电层电容的26Wh/kg[JiaoYin,LiQi,HongyuWang,Sodiumtitanatenanotubesasnegativeelectrodematerialsforsodium-ioncapacitors,ACSAppliedMaterials&Interfaces,4,2762-2768,2012.]。Ding等采用化学沉淀法制备了NiCo₂O₄并将其作为钠离子电容器负极材料，其与活性炭为正极材料组成的钠离子电容器的能量密度达13.8Wh/kg[RuiDing,LiQi,HongyuWang,AninvestigationofspinelNiCo₂O₄asanodeforNa-ioncapacitors,ElectrochimicaActa,114,726-735,2013.]。Huter[HunterJC.Preparationofanewcrystalformofmanganesedioxide:λ-MnO₂.JSolidStateChemistry,1981,39(2):142-147.]于1981年以0.1mol/LHCl处理LiMn₂O₄，首次合成了λ-MnO₂。在此之后，人们对λ-MnO₂展开了广泛的研究[KoyanakaH,MatsubayaO,KoyanakaY.QuantitativecorrelationbetweenLiabsorptionandHcontentinmanganeseoxidespinelλ-MnO₂.JElectroanalyticalChemistry,2003,559:77-78.]。λ-MnO₂具有与LiMn₂O₄相同的尖晶石型晶体结构，具有Fd3m空间对称群和相互连通的三维隧道结构。与γ-MnO₂和β-MnO₂的一维隧道结构[夏熙.二氧化锰及相关锰氧化物的晶体结构、制备及放电性能.电池，2004,34(6):411-414.夏熙.二氧化锰及相关锰氧化物的晶体结构、制备及放电性能.电池，2005,35(1):27-30.]相比较，λ-MnO₂的三维隧道结构更有利于Li⁺在晶体中的扩散。以λ-MnO₂为正极材料的Li-MnO₂电池将具有更为优异的电化学性能。到目前为止，还没有将λ-MnO₂作为钠离子电容器电极材料的相关报道。

发明内容