[发明专利]一种柔性分层纳米金属氧化物复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种柔性分层纳米金属氧化物复合材料，采用分步电化学沉积法，在基底材料柔性碳纤维布外表面包覆含有二氧化钼、三氧化二铁的分层结构，再在最外层包覆氮掺杂多孔碳。柔性碳纤维布提供导电性，高孔隙率，机械柔韧性；氮掺杂多孔碳作为导电保护层。分层结构的第1层二氧化钼为短棒状结构，第2层三氧化二铁为不规则纳米颗粒结构。其制备方法包括以下步骤：1负载钼的碳纤维布的制备；2负载铁钼的碳纤维布的制备；3柔性分层纳米金属氧化物复合材料的制备。作为超级电容器电极材料的应用，在‑1.2‑0 V范围内充放电，在放电电流密度为1 A/g时，比电容为340‑360 F/g。具有优良的材料稳定性能，和优良的离子传输能力。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，具体涉及一种柔性分层纳米金属氧化物复合材料的制备及在超级电容器领域的应用。

背景技术

随着诸如便携式电子设备，备用电源系统，电动汽车等基于能源的电子设备的迅猛发展，储能设备作为重要的二次能源而兴起，并且在我们日常生活的各个方面都是必不可少的。在各种储能设备中，超级电容器目前处于这项研究的前沿。作为代表性的现代能量存储设备之一，超级电容器由于其独特的特性（例如高功率密度，长循环寿命，快速充电能力以及安全的操作模式）而被广泛研究。

近年来，碳纤维布被广泛用于增强超级电容器的电化学性能。柔性碳纤维被编织成连接网络以形成碳纤维布。碳纤维布中的单根碳纤维连接良好，形成一个导电网络，该网络显示出优异的导电性，高孔隙率，良好的机械柔韧性和便携性，可满足商业应用的要求。碳纤维是通过有机聚合物（例如聚丙烯腈，人造丝，沥青等）的热分解而制成的，有机聚合物由碳原子通过碳化过程将长串分子组成。此外，碳纤维布的三维结构为快速电子传输提供了大量通道，这有利于电解质离子扩散到活性电极材料中。活性材料在三维基板上的直接生长表现出增强的电化学性能。较早的报道表明，活性材料的结构和形态得到增强，具有更好的附着力，更显着地促进了电荷转移过程。

众所周知，超级电容器的性能在很大程度上取决于电极材料。迄今为止，用于超级电容器的不同种类的电极材料可分为三类：含碳材料，导电聚合物，金属氧化物/硫化物。其中，具有较高理论比电容，低成本，低毒性和结构柔韧性的金属氧化物已被广泛用作超级电容器的电极材料。通常，活性材料的表面部分可以有效地贡献其电容，并且活性材料的下面部分几乎不能参与快速充电/放电过程，特别是当活性材料的尺寸相对较大时。 此外，当在超级电容器中用作电极材料时，单一类型的材料在实际应用中的性能并不能满足应用要求。

现有技术，Lang J等人采用水热法制备了掺氮石墨烯片上负载三氧化二铁复合材料（《Facile Synthesis of Fe₂O₃ Nano-Dots@Nitrogen-Doped Graphene forSupercapacitor Electrode with Ultralong Cycle Life in KOH Electrolyte》[J].ACS applied materials interfaces,2016,8(14))。但是，所得材料的比电容仅仅达到274 F/g。发明人根据文献所记载的实验数据分析发现，该技术方案所得材料比电容较低的原因，从表面现象看，可以认为是三氧化二铁与掺氮石墨烯片简单复合在一起，单一类型金属氧化物与碳材料的结合不能充分发挥各自的性能优势；从深层次进行分析可知，在制作电极材料的过程中，采用的方法是将聚四氟乙烯和乙炔碳与活性物质组合在一起，而聚合物粘合剂和添加剂都不是电化学活性材料，它们的使用降低了电导率与活性材料的含量。