[发明专利]一种Al掺杂MnO2电极材料的制备及宽电压窗口柔性超电器件的构筑

说明书

本发明公开了一种Al掺杂MnO₂电极材料的制备及宽电压窗口柔性超电器件的构筑，首先制备Al掺杂MnO₂电极材料，将锰源、铝源加入到氨水中进行共沉淀，然后进行一步水热处理，后将干燥粉体进行退火处理，最终得到Al均匀掺杂的MnO₂电极材料。以Al掺杂MnO₂电极材料作为正极，AC作为负极，然后分别将Na₂SO₄、KOH凝胶均匀涂覆在正负极材料表面，最后在正负极中间加入阳离子膜，放入密封袋中封装；是以，我们得到了一种宽电压窗口柔性超级电容器器件，电压窗口可以达到0～2.6V，极大提高了超级电容器的能量密度。

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种Al掺杂MnO₂电极材料的制备及宽电压窗口柔性超电器件的构筑。

背景技术

随着世界经济的快速发展，加大了能源的消耗，传统的煤、石油、天然气等不可再生矿物能源的大量使用带来了许许多多的环境问题和持续利用的问题。寻找可再生的清洁能源、发展清洁能源设备对于减轻环境污染，发展低碳经济和促进人类的可持续发展至关重要。

超级电容器具有比功率高、循环寿命长、充放电速率快等优势。但是相比于锂电池、燃料电池，其较低的比能量限制了它进一步的实际应用。提高超级电容器能量密度的方法，可以从以下两个方面进行：(1)提高电极材料的电化学性能，从而来提高器件的能量密度；(2)增加超电器件的电压窗口，根据能量密度公式提高器件电压窗口，可以极大增加超级电容器的能量密度。

MnO₂材料由于其高的理论比容量(1370F g^-1)，价格低廉，无毒，形貌晶型多，环境友好，在中性很宽的电化学工作窗口，因此是超级电容器电极材料研究重点之一。但是MnO₂导电性能差，因此在实际测试中，远远达不到MnO₂的理论比容量。从提高MnO₂导电性入手，目前比较常见的方法有：(1)与碳材料的复合，利用碳材料大的比表面积，优越的电导性，能够缩短电解液离子的运输通道，与二氧化锰发生协同作用，利用两者的优势，能够提高二氧化锰的导电性，并且能够提高复合材料的电化学性能；(2)对二氧化锰进行金属离子掺杂也是研究热点之一。掺杂是对二氧化锰电极材料改性的重要方法，以此可以提高二氧化锰的导电性，提高其电化学性能。在众多的掺杂金属离子中，Al³⁺离子(53.5pm)与Mn⁴⁺离子具有相近的半径(53pm)，因此常被作为二氧化锰的掺杂离子。

由于受电解质分解电压和电极材料的极限工作电压的限制，超级电容器器件的电压窗口比较低，一般在0～1.8V左右。目前常见的提高器件的电压窗口的方法，主要有两种：(1)提高电极材料的电压窗口：(2)从电解质出发，增加电解质分解电压以及使用固态电解质如PVA凝胶电解质。但是这两种方法在增加器件电压窗口方面效果都不是很明显。

因此本发明借鉴两联槽原理，利用Na₂SO₄和KOH凝胶两种凝胶电解质，分别作为正负极电解质，外加阳离子隔膜，成功组装了一种宽电压窗口的柔性超电器件，其电压窗口高达0～2.6V，极大提高了MnO₂超级电容器的能量密度。

发明内容

本发明旨在提供一种Al掺杂MnO₂电极材料的制备及宽电压窗口柔性超电器件的构筑。本发明为Al掺杂MnO₂提供了新的可靠的方法，从后面的测试结果看Al的掺入是均匀分布的，增加了MnO₂电极材料的导电性，提高其电化学性能。本发明利用双凝胶电解质组装了宽电压窗口的柔性超电器件，这种方法可以在多种电极材料间使用，通过调控正负极之间的比例，从而得到高电压窗口的柔性超电器件。

本发明Al掺杂MnO₂电极材料的制备，包括如下步骤：