[发明专利]NaxMnO2正极材料、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种Na_xMnO₂正极材料、制备方法及其应用，其步骤为：（1）通过对生长在碳布上的Mn₃O₄纳米颗粒自组装成的纳米墙阵列进行水热，从而形成高Na含量的Na_0.55MnO₂纳米片自组装成的纳米墙阵列。Na_0.55MnO₂纳米墙阵列工作电位窗口可以扩展到0～1.3V（vs.Ag/AgCl）,比电容量可以达到366Fg^‑1；以Na_0.55MnO₂为正极材料，利用碳包覆的Fe₃O₄纳米棒阵列作为负极制备了2.6V超宽工作电位窗口的Na_0.55MnO₂//Fe₃O₄@C水系非对称超级电容器。该超级电容器不仅具有超级电容器的共性：高的功率密度、超长循环寿命，而且具有超宽的工作电位窗口(2.6V)、超高的能量密度（87Whkg^‑1）。

技术领域

本发明专利涉及高Na含量的Na_xMnO₂正极材料、制备方法以及利用这种正极材料构建2.6V超宽电位窗口的水系非对称超级电容器的方法，属于电化学储能技术领域。

背景技术

超级电容器是介于电池和传统电容之间的一种新型高效的二次电源，具有循环寿命长、功率密度高、安全、环境友好等优点。其功率密度比电池要高出10到100倍，可瞬间释放特大电流，因此非常适用于电动交通工具。例如超级电容器可以与锂二次电池等高能电池配合使用作为电动交通工具的，在启动、爬坡、加速等大功率输出的工况下使用超级电容器，可以极大地提高电动交通工具的性能。此外，超级电容器还可作为备用电源、独立电源在通信、工业等领域广泛应用。因此，超级电容器一直是人们研究的热点。

水系超级电容器的最主要的缺点是能量密度低，严重限制了超级电容器进一步广泛应用，所以目前的首要任务就是提高超级电容器的能量密度。根据能量密度公式 E＝1/2CV²,其能量密度(E)与其工作电位窗口(V)和其容量(C)有关，其中从公式可以看出能量密度和工作电位窗口存在指数关系，因此提高工作电位窗口显得尤为重要。

由于MnO₂具有较大的比电容以及较高的析氧电位(1V)，因此非常适合做高电位超级电容器的电极材料。但目前报道的以MnO₂为基的超级电容器如ACS Nano, 6(5)，4020–40282012、Advanced Functional Material，21，2366–2375，2011等工作电位窗口在1.6V～2.0V之间，能量密度在20～50Wh kg^-1，能量密度和电位窗口都比较有限。最近，有几个课题组包括本课题组发现对MnO₂进行预嵌阳离子如(Na⁺和 K⁺)，可以有效提高MnO₂的电化学行为，在MnO₂里嵌入大量阳离子仍然非常困难。

发明内容

为了克服当前水系超级电容器电位窗口窄、能量密度低的现状，本发明的目的是提供一种高Na含量的Na_xMnO₂正极材料、制备方法以及利用这种正极材料构建2.6V 超宽电位窗口的水系非对称超级电容器的方法，它同时具有高的功率特性、优异的循环寿命、2.6V超宽工作电位窗口、高的能量密度以及低成本和良好的安全性能等特点。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种Na_xMnO₂正极材料，所述的Na_xMnO₂正极材料中的x＝0.55。

上述Na_xMnO₂正极材料的制备步骤如下：