[发明专利]一种超级电容器用MnO2

说明书

本发明提供了一种超级电容器用MnO₂纳米带/氮掺杂石墨烯气凝胶复合材料及其制备方法与应用。本发明的方法通过水热反应制备具有大比表面和多级孔结构的氮掺杂石墨烯气凝胶，之后吸附KMnO₄，再加入MnSO₄还原吸附于氮掺杂石墨烯气凝胶上的KMnO₄，得到具有高表面晶胞暴露比的MnO₂纳米带。MnO₂纳米带与氮掺杂石墨烯气凝胶间的强化学键合，既提高了结构稳定性、循环稳定性；又有利于电子快速传输，提高电化学性能。碳骨架被保护的MnO₂纳米带/氮掺杂石墨烯气凝胶复合材料具有优异的比电容、比能量、比功率和循环稳定性等超级电容器性能。

技术领域

本发明涉及一种超级电容器用MnO₂纳米带/氮掺杂石墨烯气凝胶复合材料及其制备方法与应用，属于超级电容器储能材料技术领域。

背景技术

超级电容器作为一种新型储能器件，具有能量密度高、循环寿命长、充电时间短等优点，在消费类电子产品、新能源汽车、运动控制、智能电网、工业节能减排、军用武器设备等领域拥有广阔的应用前景。

MnO₂具有理论比电容大(1370.0F g^-1)、电化学性能优异、成本低等优点，广泛应用于超级电容器电极材料。然而，MnO₂导电性差，导致其电容性能不高，限制了其在超级电容器领域的进一步应用。石墨烯具有导电性好、理论比表面大的优点，且氮掺杂可以给石墨烯的π电子体系提供p电子，赋予石墨烯赝电容性能，尤其是石墨烯气凝胶还具有孔结构丰富的结构优势，有利于传质。将石墨烯与MnO₂复合，提高了复合材料的导电性，同时增大了其比表面积，有利于提高电子和电解质离子的传输效率。因此，基于MnO₂的赝电容和石墨烯的双电层电容，MnO₂/石墨烯复合材料常被用于超级电容器。

目前，用于超级电容器的MnO₂/石墨烯复合材料的制备方法主要有以下几种：1、通过 KMnO₄被石墨烯的还原性碳骨架还原生成MnO₂制备复合材料，例如：中国专利文献CN111463020A、CN110534355A、CN109390161A、CN110581028A、CN109192529A、CN108172408A等均使用石墨烯的还原性碳骨架将KMnO₄还原生成MnO₂，得到MnO₂/石墨烯复合材料，但是上述方法在还原过程中，石墨烯碳骨架结构的完整性被破坏，导致复合材料的导电性和结构稳定性受损；2、通过MnO₂纳米材料与石墨烯直接混合制备复合材料，例如：中国专利文献CN110739159A、CN111653435A、CN111732095A、CN107026026A、 CN109065367A、CN107887179A、CN108455573A，但是上述方法中MnO₂与石墨烯间缺乏强化学键合，无法充分发挥石墨烯的优势，并且所得复合材料的导电性、结构稳定性较差；3、通过电化学沉积法制备复合材料，例如：中国专利文献CN111710534A、CN110970234A、 CN107316752A等采用电化学沉积法将MnO₂沉积在石墨烯材料上，但是电沉积法无法保证 MnO₂纳米材料分散均匀性，且需电沉积装置，制约制备方法的推广。

因此，开发一种新的MnO₂/石墨烯复合材料的制备方法，从而得到具有高导电性、较大比电容和高循环稳定性的超级电容器电极材料，具有重要的意义。

发明内容