[发明专利]一种硅酸镁锂改性二氧化锰基超级电容器电极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种硅酸镁锂改性二氧化锰基超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于，该制备方法首先利用浓磷酸或浓硼酸和稀土离子对有机季铵盐改性硅酸镁锂进行晶格结构中三八面体和四面体进行化学结构改性，然后在三八面体中引入Mn²⁺，再通过低温固相反应制得硅酸镁锂改性二氧化锰基超级电容器电极材料，其比电容、能量密度、功率密度等指标优异，满足实际使用要求，应用前景极为广阔。

技术领域

本发明涉及过渡金属氧化物超级电容器电极材料制备领域，具体涉及一种比电容大、能量密度与功率密度高、循环性能优异的硅酸镁锂改性二氧化锰基超级电容器电极材料的制备方法。

背景技术

超级电容器（又称为“电化学电容器”等）作为一种介于电解质电容器与电池之间的新型储能设备，因其具有充电速度快、功率密度高、循环寿命长等优点，在诸多领域具有非常广阔的应用前景。超级电容器不同于传统的化学电源，其主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能；但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器在通讯、计算机、新能源汽车、消费电子等行业有很广阔的应用前景，已成为世界众多科学家研究的热点。目前，超级电容器凭借强大的储存容量及存储性能，在许多大中小型设备中得到了普遍运用（比如真空开关、仪器仪表、数码相机等微小电流供电的后备电源；太阳能产品以及小型充电产品的充电电池等许多产品）。

超级电容器突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。与传统电容器相比，超级电容器具有更高的比电容、比能量、工作温度范围及极长的使用寿命；与蓄电池相比，超级电容器具有更高的比功率，不仅可瞬间释放特大电流，而且充电时间短、充电效率高、循环使用寿命长、无记忆效应，特别是对环境无污染等特点。

在影响超级电容器性能的所有因素中，电极材料的性能起着决定性的作用，因此高性能超级电容器的获得主要依赖于高电容的电极材料。目前研究的电极材料主要有碳材料、过渡金属氧化物、导电聚合物等。这几种电极材料各自存在着不同的优缺点：碳材料具有比表面积大、化学稳定性好等优点，但因其储存电荷主要来自双电层电容，因此比容量较低，电化学性能的提高受到极大限制；过渡金属氧化物赝电容高，但其导电性差、成本高；导电聚合物赝电容也较高、可加工性好，但由于本身结构的约束，导致其循环寿命较低。

在当前所研究的热门电极材料中，过渡金属氧化物通过在电极/溶液界面发生可逆法拉第反应，可产生远大于碳材料双电层电容的法拉第赝电容，因而引起了各国研究者的广泛兴趣。有报道显示人们可制造出纳米RuO₂基电极材料，尽管其比电容在目前过渡金属氧化物中最高，但其成本太高，且污染环境，故基本没有任何实用价值。成本的巨大压力迫使人们不得不把目前研究目光主要集中于NiO基、Co₃O₄基、MnO₂基等廉价过渡金属氧化物体系上。

其中，NiO基、Co₃O₄基电极材料等由于电位窗口较窄、能量密度较低，所以应用受到了根本性的限制。因此将MnO₂基电极材料作为一种比较理想的超级电容器电极材料而受到广泛关注，这主要是因为一方面MnO₂基相关电极性能优于NiO基、Co₃O₄基等；另一方面，MnO₂原料易得，价格低廉，来源广泛，且环境友好。

但是，现有技术制备的MnO₂基超级电容器电极材料的比电容、能量密度、功率密度相当低，远远无法满足实际使用要求，从根本上严重阻碍了市场应用与发展。因此，如何制备出应用性能优异的MnO₂基超级电容器电极材料是当今国内行业迫切所要解决的技术难题。

发明内容