[发明专利]一种高性能SiC@Fe2O3复合超级电容器负极材料

说明书

技术领域

本发明涉及新能源存储领域，具体涉及一种高性能SiC@Fe₂O₃复合超级电容器负极材料。

技术背景

超级电容器是近年来发展起来的一种新型储能器件，具有功率密度高、充电速度快、循环使用寿命长、工作温度范围广、安全性能好及环保等优点，在新能源汽车、微型通讯设备、重型机械、航空航天等领域具有广阔的应用前景(中国发明专利，申请号201310326357.4；中国发明专利，申请号201610024861.2)。然而，超级电容器正、负极的不匹配往往导致超级电容器的比能量密度降低，尤其近年来，碳材料(如活性炭、碳纳米管及石墨烯)常被用作超级电容器负极材料(Journal of Power Sources,2015,283,270-278；NPG Asia Materials,2015,7,e165)，由于其理论比电容较低，这个问题更加凸显，严重地制约了其工业化生产进程，因此，设计并构筑一种新型的且和正极具有良好匹配性的负极材料对提高超级电容器的比能量密度具有十分重要的意义。目前，研究人员试图用V₂O₅，MoO₃，Fe₂O₃和Bi₂O₃等过渡金属氧化物代替传统的碳材料以提高其比电容，其中Fe₂O₃最受人们关注，这主要是由于Fe₂O₃具有较高的理论比电容，优异的氧化还原特性和电化学活性，并且原料丰富、环境友好及价格低廉等优势(J.Mater.Chem.A,2016,4,12289-12295；Chemical Engineering Journal,2016,306,193-203)。然而，与其他过渡金属氧化物一样，Fe₂O₃存在导电性能及循环稳定性差的缺点，并且容易在基板上发生团聚(中国发明专利，申请号201110150179.5；中国发明专利，申请号201610024861.2)，这将使活性材料的比表面减小，从而导致实际获得的比电容远低于其理论值。为了克服上述问题，研究人员往往利用导电性较好及比表面积较大的碳材料，无机半导体或导电聚合物作为骨架与Fe₂O₃进行复合，有效地改善了活性材料团聚及电容特性差的缺陷(J.Mater.Chem.A,2016,4,9977-9985；ACS Appl.Mater.Interfaces 2015,7,27518-27525)。尽管上述制备出的复合电极材料具有较好的电化学性能，但仍不能满足新型超级电容器在充放电过程中对高比电容及倍率特性的需求，因此，开发一种理想的骨架材料势在必行。众所周知，SiC纳米线不仅具有良好的机械性能与物理化学稳定性、大的长径比及比表面积、优异的导电性与抗腐蚀抗氧化特性，并且它们互相缠结，可以构成一种特殊的网络结构。因此，SiC纳米线构成的网络结构不仅使活性材料均匀分散，并且在充放电过程中为电子传导提供了多种传输渠道，还可解决活性材料因体积膨胀/缩小而造成的电极结构的坍塌，这使它们成为极具竞争力的超级电容器复合电极的骨架材料；此外，SiC纳米线电极材料还可呈现出高的面积比电容、长期循环稳定性及优异的抗电化学腐蚀特性和优异的柔韧性(Gu,et al.Performance characteristics of supercapacitor electrodes made of silicon carbide nanowires grown on carbon fabric.Journal of Power Sources 2013,243,648-653.Alper,et al.Silicon carbide nanowires as highly robust electrodes for microsupercapacitors.Journal of Power Sources 2013,230,298-302)。因此，当SiC纳米线作为骨架与纳米Fe₂O₃进行复合时，可大幅提升此复合负极材料的电容特性。目前尚没有关于Fe₂O₃纳米针阵列包覆SiC纳米线复合超级电容器负极材料的报道。

发明内容