[发明专利]一种原位制备二氧化锰/石墨片无粘结复合电极材料的方法与应用

说明书

本发明公开了一种原位制备二氧化锰/石墨片无粘结复合电极材料的方法与应用，所述的原位制备二氧化锰/石墨片无粘结复合电极材料是一种以石墨片为基底，在其表面原位负载二氧化锰的新材料，采用原位合成的方法制备的，其微观形貌呈现片状。该材料的原位合成方法为：制备高锰酸钾溶液；将石墨片加入到盛有高锰酸钾溶液的反应釜中进行原位合成，洗涤干燥后即得。该材料电化学储能性能好且比电容可达到882 F/g，在此基础上，本发明还提供了一种二氧化锰/石墨片//二氧化锰/石墨片的对称超级电容器器件，具有高的能量密度和功率密度，可以驱动红色发光二极管等小型电子设备。本发明方法工艺简单，重复性好，在超级电容器应用领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及新能源材料技术领域，特别涉及一种原位制备二氧化锰/石墨片无粘结复合电极材料的方法与应用。

背景技术

近年来，随着便携式、移动式和可穿戴式电子设备的迅速发展，超级电容器已逐渐进入人们的日常生活。众所周知，电极材料、电解质和分离器与超级电容器的能量密度和功率密度有关。特别是，电极材料的类型直接决定了超级电容器的结构和电化学储能性能。因此，寻找合适的电极材料已成为提高超级电容器储能密度的主要研究方向。

超级电容器的电极材料主要分为三类：碳材料、金属氧化物和导电聚合物。由于过渡金属氧化物在电极/溶液界面产生的可逆法拉第赝电容远大于碳材料引起的双电层电容，过渡金属氧化物引起了研究人员的关注。例如NiO、Co₃O₄等通常用于超级电容器的电极材料。与其他金属材料相比，二氧化锰具有电势窗口宽(约1V)、高比表面积和高的赝电容、原料来源广和环境友好的特点，在新能源材料领域具有良好的应用优势。然而，当二氧化锰单独用作超级电容器的电极材料时，其低电导率(10^-5～10^-6S/cm)使其难以充分发挥其电化学储能性能。同时，也会出现比电容衰减速度快和长期循环稳定性差等问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的二氧化锰低导电率、比电容衰减速度快和循环稳定性差等问题，本发明提供一种原位制备二氧化锰/石墨片无粘结复合电极材料的方法与应用。本发明采用原位合成的方法，以具有良好导电性的石墨片为基底，在其表面原位负载二氧化锰的无粘结复合电极材料，以此来解决单一二氧化锰作为电极材料存在的以上问题。本发明提供了一种可行且有效的方法，并且本发明提供的方法制备工艺简单，重复性好，并且本发明涉及的二氧化锰/石墨片无粘结复合电极材料具有优异的电化学储能性能，循环稳定性好。

一种原位制备二氧化锰/石墨片无粘结复合电极材料的方法，包括以下步骤：

(1)制备高锰酸钾溶液，备用；所述高锰酸钾溶液的浓度为0.09mol/L；

(2)将石墨片斜靠放入盛有上述0.09mol/L高锰酸钾溶液的反应釜中，所述石墨片仅部分浸入高锰酸钾溶液中，150℃下水热反应6h，反应完成后，(用镊子)取出石墨片，然后用去离子水洗涤至样品表面无杂质，烘干，制备得到所述的二氧化锰/石墨片无粘结复合电极材料。

进一步，所述石墨片具有高导电性能，可选自华北科技金属材料有限公司。

进一步，所述石墨片尺寸为2cm*5cm，所述0.09mol/L高锰酸钾溶液的体积可以是30mL。

进一步，所述的烘干方式为：60℃中烘干2h-4h(优选为2h)，或者室温下晾干8-12h。

随着水热反应的进行，二氧化锰均匀地在石墨片表面生长形成纳米片状结构，且尺寸均一，为200-300nm。

水热反应过程中，高锰酸钾溶液浓度过低会造成生成的二氧化锰过少，不能在石墨片表面均匀生长；高锰酸钾溶液浓度过高会造成生成的二氧化锰过多造成堆积进而影响形貌。

水热反应过程中，温度过低高锰酸钾热分解不完全；温度过高会使生成的二氧化锰长成球状。