[发明专利]一种二氧化锰/石墨烯超结构电极及其制备方法

说明书

本发明一种二氧化锰/石墨烯超结构电极及其制备方法，属于电化学储能技术中电极制备领域；电极包括具有螺旋24面体Gyroid结构的石墨烯载体，以及二氧化锰层。首先设计螺旋24面体(Gyroid)超结构模板，将紫外光固化树脂与二氧化硅颗粒混合进行光聚合打印得到树脂模板；对树脂模板进行脱脂和烧结，将光聚合物去除，得到二氧化硅超结构模板。然后采用化学气相沉积法在二氧化硅超结构模板表面生长石墨层。之后，用氢氟酸水溶液腐蚀掉二氧化硅，得到石墨烯超结构电极，在石墨烯超结构电极表面生长二氧化锰纳米片，形成二氧化锰/石墨烯超结构电极。螺旋二十四面体结构拥有连续曲面，二氧化锰层能在其上均匀沉积，且具有高比表面积，活性物质负载量可达20～100mgcm^‑2。

技术领域

本发明属于电化学储能技术中电极制备领域，具体涉及一种二氧化锰/石墨烯超结构电极及其制备方法。

背景技术

常见的储能器件包括锂离子电池和超级电容器，其性能优劣主要由电极材料和活性物质决定。石墨烯作为热度最高的电极材料之一，拥有高比面积、高导电率和导热率，可以加强储能系统的容量和充放电速度，并且稳定性极好。以MnO₂为电极活性物质，可以提高器件的电压窗口，构筑具有高体积能量密度的超级电容器。

3D打印又称增材制造，是一个直接依据计算机辅助设计(CAD)模型逐层制造三维物体的过程，不需要特定的零件加工。现有3D打印技术包括挤出式，熔融固化式，光固化式等，已有的3D石墨烯电极多用挤出式3D打印技术，将石墨烯混入打印墨水通过针头打印，之后冷冻干燥固化制成。挤出式打印的3D石墨烯电极的精度可达到几百微米。运用3D打印能够精确地控制电极的形状和厚度，通过控制打印材料的粘度和打印速度，打印出各种形状的三维电极。与传统的二维电极相比，3D电极拥有能量密度高，离子传输距离短等优势。目前报道有3D打印的线状、梳状，晶格状等形状的电极用于制备锂离子电池。

机械超材料是一种人造结构材料，拥有周期性单元，通过对尺寸和拓扑结构设计获得自然界材料不具有的力学性能，比如负泊松比，超轻超强，负热膨胀等。这些奇异的力学性能来自周期性的几何特征，而不是组成材料本身。三重周期极小曲面结构中的螺旋24面体(Gyroid)结构，这种结构由曲面螺旋排列构成，呈现周期性的多孔曲面结构，是在超低密度下仍能保持高强度，多次应用于航空航天结构件设计，建筑学设计中。螺旋24面体(Gyroid)结构在保持高机械性能的同时能够提供较高的表面积，在电极制造领域有着极大的应用潜力。

现有3D石墨烯电极结构通常为简单的晶格、梳状结构，结构目前存在以下缺陷：第一，晶格、梳状电极通常为平面结构，空间利用率低于曲面结构，其表面积有限，活性物质负载量受到很大限制；第二，现有3D石墨烯电极力学性能不可控，未经结构上的力学设计，在受力条件下难以保持工作；第三，由于石墨烯不能被光固化，已有的3D石墨烯电极多用挤出式3D打印技术，其打印精度低于光固化式3D打印，难以制作复杂高精度的3D结构电极。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种二氧化锰/石墨烯超结构电极及其制备方法，克服了目前3D石墨烯电极负载量低且力学性能差的问题。主要涉及光固化3D打印技术制备具有螺旋24面体(Gyroid)结构的超结构石墨烯载体、在所述超结构石墨烯载体上沉积二氧化锰片层制成的二氧化锰/石墨烯超结构电极。

本发明的技术方案是：一种二氧化锰/石墨烯超结构电极，其特征在于：包括具有螺旋24面体Gyroid结构的石墨烯载体，以及生长在所述石墨烯载体上的二氧化锰层。

本发明的进一步技术方案是：所述电极的体积为2.7×1×0.2cm³，密度为30～100mgcm³。

一种二氧化锰/石墨烯超结构电极的制备方法，其特征在于具体步骤如下：