[发明专利]一种沥青基碳/二氧化锰复合电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种沥青基碳/二氧化锰复合电极材料及其制备方法和应用，属于电能储能技术领域。本发明的制备方法采用绿色、高效的激光诱导碳化。以沥青作为碳源，混合二氧化锰粉末，通过半导体蓝紫激光器作为激光光源对沥青进行碳化，使得沥青在激光光热的作用下碳、硫等元素被氧化成气体释放，形成具有三维导电网络互联的多孔结构碳，同时与穿插在其中的二氧化锰纳米片形成协同效应，获得无粘结剂的自支撑电极材料，有效提升了复合材料的比容量和循环稳定性，降低了电极制备成本，简化了电极制备流程。

技术领域

本发明涉及电能储能技术领域，尤其涉及一种沥青基碳/二氧化锰复合电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着石化能源的枯竭和环境的恶化，对可持续清洁电力的需求越来越大，电力的高效存储已成为当今世界迫切需要解决的问题。锌离子混合超级电容器因其同时具有电池的高能量密度以及超级电容器的高功率密度，被认为是具有前途的下一代储能器件。锌离子混合超级电容器通常情况下是以金属锌作为阳极，碳材料作为阴极，决定其储能性能的通常是阴极电极材料，为了构建具有高电荷存储性能的理想锌离子混合超级电容器，需要完善的电极结构，因此，阴极电极材料成为锌离子混合超级电容器研究的重点。

根据碳材料可逆离子吸附/解吸的储能特点，具有较高的比表面积和分层孔隙度结构的碳材料被认为是一种理想的正极替代材料。此外综合考虑电极结构稳定性和电荷存储能力，单一的碳材料往往无法满足高效的能量存储，因此有必要结合具有更高能量密度的氧化还原型电极材料，以提高电极的电荷存储。二氧化锰因具有丰富、廉价、安全环保、理论比电容高等特点被认为是最具前景的电极材料之一，但是其导电性差的特点，导致电化学反应仅在电极表面发生，极大限制了电极材料的利用率，因此利用碳材料的大比表面积和优良的导电性能，分散二氧化锰提高其电容利用率。虽然通过碳材料与二氧化锰的复合来提升电极电化学性能的研究已有报道，但其电极材料为混合粉末，需要加入粘结剂进行固定，而粘结剂的加入也会降低电极的导电性，从而影响电极电化学性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种沥青基碳/二氧化锰复合电极材料及其制备方法和应用。本发明制得的复合电极材料无粘结剂，是一种自支撑复合电极材料。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种沥青基碳/二氧化锰复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

将沥青溶液与δ-MnO₂混合后成膜，得到薄膜；

将所述薄膜进行激光诱导碳化，得到所述沥青基碳/二氧化锰复合电极材料。

优选地，所述δ-MnO₂与沥青溶液中沥青的重量比为1～4:20。

优选地，所述δ-MnO₂与沥青溶液中沥青的重量比为1:10。

优选地，所述δ-MnO₂为纳米片堆积而成的花状结构，所述花状结构的直径为100～500nm。

优选地，所述激光诱导碳化的波长为400～465nm，功率为1.5～15W，扫描速率为1～50mm/s。

优选地，所述激光诱导碳化的波长为450nm，功率为4.5W，扫描速率为5mm/s。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的沥青基碳/二氧化锰复合电极材料。

本发明还提供了上述技术方案所述的沥青基碳/二氧化锰复合电极材料在锌离子混合超级电容器中的应用。

优选地，所述锌离子混合超级电容器的的阳极为锌箔，阴极为上述技术方案所述的沥青基碳/二氧化锰复合电极材料，电解液中包括硫酸锌和硫酸锰。

优选地，所述硫酸锌和硫酸锰的摩尔比为5:1。