[发明专利]一种超级电容器用二元金属化合物复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种超级电容器用二元金属化合物复合材料及其制备方法，属于超级电容器技术领域。该电极材料是导电材料和二元金属化合物组成的复合材料。三电极体系电化学测试中，所制备的复合材料在1A/g电流密度下，首次充放电容量和库伦效率分别为800～3428F/g。其制备过程为将一定摩尔比例的金属盐、有机配位中间体混合溶解到溶剂中，通过液相合成法合成含二元金属元素的固态前驱体并洗涤、过滤和干燥。而后将前驱体和添加剂在气氛中热处理后与导电材料化学复合获得高比容量、高倍率性能的复合电极材料。本发明的工艺简单、高效环保、反应时间短、重现性好。所制备的复合材料结构稳定，比容量高，倍率性能优异，满足超级电容器电极材料对高比容量和能量密度的需要。

技术领域

本发明属于超级电容器技术领域，具体涉及一种超级电容器用二元金属化合物复合材料及其制备方法。

背景技术

全球经济高速发展的同时，能源危机和环境污染也越来越严重，因而高效环保的储能装置受到广泛关注。超级电容器是一种高储量的新型储能设备，具有充放电速度快、功率密度高、循环性能优异以及环境友好等优点。自上世纪初，超级电容器实现商品化以来，它在便携式电子设备、混合动力汽车、国防科技和航空航天等领域得到了广泛的应用。但是目前超级电容器普遍存在比容量较低的问题，因此开发具有高比容特性的超级电容器电极材料非常重要。

超级电容器电极材料主要是碳材料、导电聚合物和金属氧化物。碳材料作为超级电容器电极主要提供双电层电容，其理论比容量为20～550F/g。现有发明专利CN107804846A公开了一种碳基高比容量超级电容器电极材料，但充放电比容量在1A/g电流密度下最高也只有370F/g，20A/g电流密度下充放电比容量为240～260F/g，其较低的充放电容量依然无法满足商业化超级电容器对高比容量和高能量密度的需求。导电聚合物相比碳材料作电极时除了具有双电层电容，还可以提供大量的赝电容。现有发明专利CN107964106A公开了一种导电聚合物水凝胶的制备方法及其在超级电容器中的应用，其充放电比容量在1A/g电流密度下可达572F/g，1.5A/g电流密度下充放电比容量下降至565F/g。这主要是因为导电聚合物作为电极材料在充放电过程中存在去掺杂和反离子掺杂引起的反复体积收缩/膨胀，导致其组装的超级电容器结构不稳定、倍率循环稳定性较差。金属氧化物具有较高的可逆容量，被认为是最具前景的超级电容器电极材料之一，其中过渡金属氧化物因具有储量丰富、价格低廉、环境污染小、比容量高等优势在电极材料中脱颖而出。现有发明专利CN106449159A公开了一种碳纤维包覆金属氧化物用作电容器柔性电极及其制备方法，其充放电容量在1A/g电流密度下最高可达1267.5F/g，单一过渡金属氧化物的比容量在同等条件下只有405.3F/g。过渡金属氧化物自身导电性差的特点极大地限制它的实际应用，因而迫切需要研发高比容量、高倍率性能、循环稳定性好、高能量密度、价格低廉及安全性能优异的电极材料。

为了克服以上缺点，在过渡金属氧化物中引入其他物质可以缓冲在充放电过程中产生的结构应力并且抑制单相物质的团聚效应，还可以通过硫化、磷化等处理获得二元金属化合物来改善金属氧化物的导电性。二元金属化合物相较于单一的金属化合物可以提供多个氧化价态，不同金属元素间产生双金属协同效应，在改善材料导电性的同时也能够进一步提高材料的比电容。另一方面，现有的主要导电材料由于孔道适中以及比表面积大可以负载更多的活性物质，并且促进活性物质与集流体之间电子的快速转移进而提高电化学性能。将二元金属化合物与导电材料复合，可以利用导电材料的特性充分发挥二元金属化合物结构稳定、导电性好和比容量高的优点。通过以上方法开发出的二元金属化合物复合材料对于解决超级电容器比容量低的问题具有很好的实用价值。

目前，还未有超级电容器用二元金属化合物复合材料及其制备方法的相关专利报道。

发明内容