[发明专利]基于金属酞菁-碳纳米管复合材料的超级电容器及其制备方法

说明书

本发明公开了基于金属酞菁‑碳纳米管复合材料的超级电容器及其制备方法。其中，制备方法包括：(1)将纳米金属酞菁粉末、碳纳米管与溶剂混合，得到悬浮液；对悬浮液进行干燥，得到金属酞菁‑碳纳米管复合材料；(2)将金属酞菁‑碳纳米管复合材料与导电材料混合并分散于溶液中，得到活性材料浆料；将活性材料浆料施加到工作电极基材的一侧表面上，干燥得到工作电极；(3)将电解质凝胶施加到工作电极具有活性材料的一侧表面上，然后与另一所述工作电极具有所述活性材料的一侧表面与贴合，得到超级电容器。该超级电容器表现出较高的质量比电容和能量密度，在20000次循环后仍显示出极高的电容保持率，表明该复合材料拥有极高的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体而言，本发明涉及基于金属酞菁-碳纳米管复合材料的超级电容器及其制备方法。

背景技术

超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的新型电化学储能装置，具有极高的功率密度、具有温度耐受性好和制备成本低等特点，是未来电动汽车、电力部门和便携电子产品等应用场景的理想选择。但相比于可充电电池来说，由于其电荷储存机制不同，其能量密度(10W·h·kg^-1)并不占优势，目前还不能被认为是电池的替代物，是一个占据合适的位置，与电池形成互补的储能元件。超级电容器的能量密度与电极材料本身的电导率和比表面积有密切关系，而其循环寿命则与电极材料的稳定性相关。因此，开发高电导率、高比表面积和高稳定性的电极材料是超级电容器领域的研究热点之一。

金属酞菁材料最初在染料领域被人们熟知，但因其优良的电化学性能逐渐受到研究者的广泛关注，特别是在电化学催化和超级电容器应用中。金属酞菁具有良好的氧化还原特性、原料成本低、极高的化学稳定性等特点，是一类很有潜力的超级电容器活性材料。但是其较低的导电性会降低氧化还原过程中的电子传输速率，不能满足超级电容器高电流密度的使用要求，制备的超级电容器比电容和能量密度都较低，从而限制了金属酞菁材料在实际中的应用。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现而提出的：

增强金属酞菁材料氧化还原特性最直接有效的方法之一是与导电性良好的材料复合。碳纳米管作为一种可以大规模制备的新型碳材料，具有优异的力学、电学性能和高的比表面积，其独特的一维电子传导通道能为其他材料提供理想的导电网络。金属酞菁具有18-π芳香族电子云，可以与碳纳米管的电子云产生π-π相互作用，因此纳米金属酞菁活性材料可以与碳纳米管形成复合材料。一方面，碳纳米管形成的导电网络可以为金属酞菁材料提供电子通道，有效地提高了酞菁的导电性，有利于其与电解液之间的快速离子吸脱附、传输，从而显著增强材料的氧化还原特性。此外，碳纳米管具有高比表面积，将其与纳米金属酞菁结构进行复合可以避免后者的堆叠作用，使更多的酞菁分子的反应活性位点暴露于电解液中，从而提高电极材料的容量值。因此，通过筛选优化纳米金属酞菁材料，将其与碳纳米管进行复合制备活性材料可以形成显著的协同效应。实验结果表明，这种金属酞菁-碳纳米管复合材料是未来经济而且高效的超级电容器电极材料的候选者之一。

有鉴于此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备基于金属酞菁-碳纳米管复合材料的超级电容器的方法，其特征在于，包括：(1)将纳米金属酞菁粉末、碳纳米管与溶剂混合，得到悬浮液；对所述悬浮液进行干燥，得到金属酞菁-碳纳米管复合材料；(2)将所述金属酞菁-碳纳米管复合材料与导电材料混合并分散于溶液中，得到活性材料浆料；将所述活性材料浆料施加到工作电极基材的一侧表面上，干燥得到工作电极；(3)将电解质凝胶施加到所述工作电极具有活性材料的一侧表面上，然后与另一所述工作电极具有所述活性材料的一侧表面与贴合，得到所述超级电容器。