[发明专利]一种基于聚吡咯/二氧化锰/碳布的超级电容器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学能量存储技术领域，更具体地，涉及一种基于聚吡咯/二氧化锰/碳布的超级电容器及其制备方法。 

背景技术

超级电容器作为一种新型能源存储器件，由于具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命和使用安全等特点而引起极大的关注。然而，能量密度相对较低的缺点限制了其应用潜力，因此，超级电容器的能量密度的提高至关重要。提高超级电容器的能量密度可以通过以下方式实现：增加超级电容器的比电容和增大超级电容器的工作电压范围。为了实现提高超级电容器能量密度这个目的，一方面，很多研究工作都采用具有纳米结构的电极材料，因为纳米材料比传统材料的体材料或者薄膜材料有更大的比表面积。在过去的几十年里，出现了各种纳米结构的电极材料以增加超级电容器的比电容，如微孔和介孔材料、纳米线阵列、纳米片、纳米微球等。另一方面，通过选择合适的电解质和电容器的结构，增大超级电容器的工作电压范围。例如选择合适的有机电解质，能够有效地增大工作电压范围，但是缺点是比电容相对较低，且有机电解质一般有毒性。另外，水系电解质对环境无害并能提供更高的离子扩散速度，能达到更高的比电容，但由于水的电解电压的限制，采用水系电解质的超级电容器工作电压一般小于1伏。从超级电容器的结构上看，对称结构的超级电容器，正电极和负电极是相同的活性材料，两极的工作电压范围重合，大大限制了整个器件的最高工作电压。与对称超级电容器相比，非对称超级电容器的正、负电极是不同的活性材料，有不同的工作电压范围，二者结合可以将超级电容器的工作电压范围变宽，因此能大幅提高器件的能量密度。 

一般情况下，超级电容器包括电极、集流体、隔膜和电解质等组件。在超级电容器的电极材料选择中，过渡金属氧化物比碳材料或导电聚合物有更高的比电容。其中，由于二氧化锰具有较高的比电容理论值、成本低、环境友好、储量丰富等原因，适合于大规模生产和应用。然而，二氧化锰的半导体性质决定了它导电性差，而且氧化还原反应只发生在材料表面或近表面，在实验中很难达到其比电容理论值。为了提高基于二氧化 锰的活性材料的电导率和电化学性能，已有许多复合材料被制备出来，如石墨烯/二氧化锰，二氧化锰/金属纳米结构，二氧化锰/碳纳米管或二氧化锰/有机导电材料等。但是随着器件的性能提高，各种问题随之而来： 

1、工艺复杂。如在文献“Asymmetric Supercapacitors Based on Graphene/MnO2Nanospheres and Graphene/MoO3Nanosheets with High Energy Density”（Adv.Funct.Mater.2013,DOI:10.1002/adfm201301851）中，该超级电容器的制备需要真空系统、高温以及氩气保护等条件，制备过程繁琐。 

2、原材料成本高。在文献“Enhancing the Supercapacitor Performance of Graphene/MnO2Nanostructured Electrodes by Conductive Wrapping”(Nano Lett.2011,DOI:dx.doi.Org/10.1021/nl2026635)中，所使用的材料有价格昂贵的单壁碳纳米管、石墨烯、有机导电聚合物PEDOT等，导致该超级电容器的成本高。 

3、所用材料毒性较大。在文献“Composite Carbon Nano-Tubes(CNT)/Activated Carbon Electrodes for Non-Aqueous Super Capacitors Using Organic Electrolyte Solutions”(J.Electrochem.Soc.2013,DOI:10.1149/2.103308jes)中，使用了含乙腈的电解质，而乙腈有毒，会造成环境污染并影响电容器的使用安全。 

4、柔性差，难以满足快速发展的柔性电子器件需求。在文献“Construction of High-Capacitance3D CoO@Polypyrrole Nanowire Array Electrode for Aqueous Asymmetric Supercapacitor”（Nano Lett.2013，DOI:dx.doi.org/10.1021/nl400378j）中，使用了泡沫镍和液态电解质，电容器的柔性差，弯曲时容易发生电解质的泄漏。