[发明专利]一种自支撑高比电容WC@rGO-MnO2

说明书

本发明将北京杨加工成薄片，利用真空浸渍技术制备Wood@GO复合材料，通过碳化处理获得保留原始木材3D多级直通道网络结构的WC@rGO导电基体，并采用水热法在WC@rGO导电基体的多孔结构上原位生长MnOsubgt;2/subgt;，首次制备出无任何粘结剂及导电剂的新型绿色自支撑高比电容电极材料；此电极材料中木材的三维分级网络结构可作为理想的绿色自支撑集流体材料，用于汇集电流；原位均匀生长的rGO直接提高了电极的倍率性能；水热法生成的MnOsubgt;2/subgt;使电极的比电容明显提升；三元材料的完美复合使电极表现出优异的电容性能；本发明中，以WC@rGO‑MnOsubgt;2/subgt;为阴极，纤维素膜为隔膜，AWC为阳极构建的超级电容器具有高电容。

技术领域

本发明涉及一种木基超级电容器的电极材料，尤其涉及一种自支撑高比电容WC@rGO-MnO₂电极、及其制备方法、及其作为超级电容器电极的应用。

背景技术

随着化石资源的严重短缺和环境污染的日益严重，可持续、低成本的储能装置的开发变得更加迫切。超级电容器具有充放电快、寿命长、功率密度高等优点，在太阳能发电、风力发电、军事装备、混合动力汽车等领域都是非常有吸引力的绿色储能设备。然而，其低能量密度限制了在汽车和消费电子等许多领域的应用。超级电容器的储能能力很大程度上取决于电极材料的性质(包括微观形貌、电导率和比表面积等)。具有良好导电性和高化学稳定性的碳基电极材料(如石墨烯、多孔碳)是极有前途的超级电容器的候选材料。

近年来，人们开发了许多新的电极材料来进一步提高超级电容器的性能，如碳材料、金属氧化物和导电聚合物。这些电极材料通常是粉末状的，往往需要用粘合剂和导电添加剂涂覆在集流体上，不仅增加了电极的重量，还降低了能量密度，这种涂覆过程也可能导致较差的电极结构、限制电子和离子快速传导、低的材料利用率及环境污染等问题。因此，开发一种无需任何粘结剂和导电剂的绿色自支撑电极是未来的热点研究方向之一。

MnO₂是一种典型的赝电容电容器电极材料，它具有高比电容(理论值可达1370F·g^-1)、低成本、环境相容性好等特点。然而，MnO₂的电导率并不是很高(约10^-6Scm^-1)，这导致MnO₂中Mn参与氧化还原反应的比例相对较低，从而阻碍了其在能量器件中的实际应用。重要的是，MnO₂纳米结构必须生长(或支持)在高度多孔和导电的基体上形成复合材料以增强其电化学性能。相比之下，碳材料具有比赝电容材料更好的循环稳定性、更高的速率能力和更宽的工作电压。其中石墨烯片因其高比表面积、优越的电导率(室温下载流子迁移率约为15000cm²/v·s)和稳定的晶格结构而成为极具潜力的超级电容器碳材料，但其易于堆积的特性阻碍了离子的运输和电解质在电极材料中的渗透，使其实际的比容量较低。

木材具有独特的三维分级多孔网络结构，沿着树的生长方向有大量的垂直导管，使离子、水和其他营养物质可以连续运输，特别是木材具有的以下两种独特天然结构：(1)木质素和半纤维素中不同排列的纤维素纤维形成的管胞、导管和纤维组成的天然多孔结构有利于离子的快速传输；(2)天然良好的机械强度归因于纤维素、半纤维素和木质素形成的钢筋混凝土状结构，使木材成为独立碳电极的天然前驱体。其三维分级多孔网络结构可以增加电解质与电极表面的相互作用，为活性材料的沉积提供了较大的表面积，为此，很多研究者将具有导电性的碳化木材作为电极，但作为碳质材料，碳化木提供的储能容量有限，限制了其能量密度。

另外，碳化木材(WC)表面存在氧敏感官能团，这些官能团具有较高的表面活性，降低了SCs的储能性能和循环稳定性。因此，在碳化木材中引入其他构件，利用不同构件之间的协同效应，提高木基储能装置的功率和能量密度是一种有效的策略。

发明内容