[发明专利]一种用于超级电容器的ZnSN纳米线材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于超级电容器的ZnSN纳米线材料及其制备方法，所述ZnSN纳米线直径10～30nm，长度1.5～3μm，准直排列；Zn、S和N元素的摩尔比为(0.51～0.54):(0.35～0.37):(0.11～0.12)；ZnSN纳米线材料采用双温区水平管式炉制备，以ZnO粉末为原材料，H2S和NH3为反应气体，采用特定的工艺步骤和参数，气相反应生成ZnSN纳米线材料；ZnSN纳米线材料用于超级电容器电极，表现出雁电容特性，比电容为2100～2300F/g，循环10000次后保持率大于93％。ZnSN纳米线材料制备方法成本低，易于操作，可实现规模化生产。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料的领域，特别涉及一种用于超级电容器的金属化合物电极材料及其制备方法。

背景技术

随着石油、天然气等化石能源的不断消耗，环境污染越来越严重，太阳能、潮汐能、风能等清洁能源日益受到关注。清洁能源的高效应用，除了能量产生的器件外，能量储存器件也格外重要。实际中，对于这种间歇性的清洁能源，能量存储是制约其广泛应用的瓶颈环节。在能量储存器件中，超级电容器是一种性能介于传统电容器和二次电池之间的新型储能器件，具有功率密度高、充放电速度快、温度范围宽、循环寿命长、几乎免维护、绿色环保等优点，因而特别适合于清洁能源的应用领域。此外，超级电容器在新能源汽车、消费电子、重型机械、军事等诸多领域也有着广泛的应用。

目前超级电容器商用的电极材料基本都是活性碳。碳材料的显著优点是：循环稳定性长，可达百万次，但有一个显著的不足，即比电容不高，仅为50～150F/g。这种材料做成的超级电容器，适用于三个典型的领域：其一，对能量要求较低的场合；其二，基本免维护的场合，如荒漠、森林、深海等无人区；其三，碳材料制作的超级电容器若要达到一定的能量密度，则需要非常庞大的组件，占用大量空间，因而可适用于空间许可的区域。以在军事领域的应用为例。报道称，很多国家都在研制激光炮这类定向能武器，但体积和重量过大的问题让这种武器难以实际运用。例如笨重的美国波音YAL-1机载激光系统必须安装在波音747大型客机上，功率却只能击落一架小型无人机，这个项目最终在2012年被取消。尽管如今激光武器已能缩小至手提箱大小，但巨大的能源供应需求使整个系统仍惊人的庞大。能在短时间内提供非常巨大能量的只有超级电容器，但目前所使用的碳材料因其能量密度和功率密度都较低，依然需要庞大体积的电容器，有些甚至比航运集装箱更大，难以满足实际需求，人们只有寻找新的电极材料，使其具有更高的功率密度，同时也具有高能量密度，从而实现这一目标。

碳材料是这一种典型的双电层电容材料。为了提高超级电容器的能量密度，人们越来越关注一些赝电容材料。相对于双电层电容材料，雁电容材料具有更高的比电容，因而在相同的体积和质量下，会具有更加优异的综合性能。目前，赝电容器电极材料主要包括导电聚合物、过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物、过渡金属硫化物等。为了促进超级电容器的更广泛的实际应用，开发新型的超级电容器电极材料仍然是人们一直追求的目标。

发明内容

本发明针对高效储能的应用需求，提供了一种用于超级电容器电极的ZnSN纳米线材料，并提供了该材料的制备方法与工艺。ZnSN纳米线材料具有良好的电化学性能。

本发明提供了一种用于超级电容器的ZnSN纳米线材料，ZnSN纳米线直径10～30nm，长度1.5～3μm，且准直排列；ZnSN是一种由Zn、S和N三种元素形成的新材料，Zn、S和N元素的摩尔比为(0.51～0.54):(0.35～0.37):(0.11～0.12)；ZnSN纳米材料用于超级电容器电极，表现出雁电容特性，具有很高的比电容，为2100～2300F/g，循环10000次后比电容保持率大于93％。

本发明还提供了制备上述用于超级电容器的ZnSN纳米线材料的制备方法，具体包括如下步骤：

1)以双温区水平管式炉为生长设备；以石英为基板，置于水平管式炉的下气流端；纯度99.99％以上的ZnO粉末为原材料，置于水平管式炉的上气流端；