[发明专利]超级电容器用四氧化三钴氮掺杂碳纳米管复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，特别涉及一种超级电容器用四氧化三钴氮掺杂碳纳米管复合电极材料及其制备方法。

背景技术

气候的变化和化石燃料(如煤、石油和天然气等)的消耗对整个世界经济和生态具有巨大的影响。各国均投入大量的人力、物力和财力来研发新能源和可再生清洁能源。新能源和可再生清洁能源包括太阳能、风能、海洋能、氢能、一次电池、二次电池和超级电容器等。超级电容器,又经常被称为电化学电容器,己不再是一般意义上的电路元件,而是一种介于传统的静电电容器和充电电池之间的一种新型储能装置,已有30多年的商业化应用开发历史。按照储能机理的不同,超级电容器可以分为双电层电容器和氧化还原电容器。因其具有大电流快速充放电、功率密度高及超长循环使用寿命等优点己引起广大研究工作者的极大兴趣。与传统的静电电容器相比,超级电容器具有更人的能量密度；而与电池相比,虽然它的能量密度(大约5Wh/kg)，比电池低,但它具有更高的功率密度(10Kw/kg),充放电次数可达数万次以上,寿命长,充电时间短,可大电流充放电。由于超级电容器具有上述特点,所以一经问世便受到人们的重视,能够应用于消费类电子产品领域、数据记忆存储系统、智能分布式电网系统领域、新能源发电系统、电动汽车电源和应急后备电源等领域,特别是在电动汽车上有非常明显的应用优势,属于标准的全系列低碳经济核心产品。超级电容器按照其储能原理可分为两类：双电层电容器和赝电容器。双层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种电子元件。当电极和电解质接触时，由于库仑力、分子间力或原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的双层电荷，称为界面双电层。赝电容也称为法拉第准电容，是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应，产生和电极充电电位有关的电容。法拉第准电容器分为:基于金属氧化物的法拉第准电容器和基于导电聚合物的法拉第准电容器，其中又以金属氧化物以其高容量与高稳定性而备受关注。

目前,国内外对过渡金属氧化物的研究工作主要围绕以下几个方面:(1)使用不同方法制备大比表面积的RuO:电极材料；(2)寻找其他廉价材料代替贵金属以降低材料成本；(3)不同材料的复合,以提高材料的比电容。在所有的过渡金属氧化物中,氧化钌是电容性能最优异的超级电容器材料，RuO2具有高的比容量,但高昂的价格限制了它在超级电容器中的应用。因此,其它价格相对低廉的过渡金属氧化物也常用作超级电容器的电极材料,如:MnO2、NiO和Co3O4等。Co3O4作为性能优良，价格低廉的超级电容器材料，近年来不断吸引着大家的研究兴趣。为了进一步提高该材料的比容量，纳米技术作为新兴的提高能源材料储能效率的有效手段不断应用于该材料的制备中，同时由于纳米材料结构队性能的巨大影响作用，各中结构的Co3O4纳米材料也被制备出来。叶向果等(物理化学学报,2008,24(06):1105-1110)以四元微乳液为介质,在水热环境下制备了具有蒲公英状、剑麻状及捆绑式结构的前驱物,然后焙烧前驱物可得结构保持的Co3O4,并研究了Co3O4的电容特性,结果表明Co3O4单电极比电容为340F/g；Jiang等(J.Power Sources 2014,248,1281-1289)用溶剂热法制备纳米花状Co3O4/纳米碳复合电极，并研究了Co3O4的电容特性，结果表明在20A/g的电流密度下，Co3O4单电极比电容为460F/g；Yang等(Nano Lett.2012,12,321-325)用水热法在碳布表面生长了分布均匀的Co3O4纳米线，该电极材料在25.34A/g的电流密度下展现了1124F/g的比电容；Yuan等(Energy Environ.Sci.,2012,5,7883)用电化学沉积的方法在泡沫镍表面制备了Co3O4纳米片，该电极材料在10A/g的电流密度下展现了1471F/g的比电容。而Co3O4本身作为过渡金属氧化物，具有导电性相对较差的特性，这种时候，将Co3O4与碳材料的复合可以提升其导电性，改善其作为电极材料的性能。至目前为止，关于电化学沉积Co3O4在氮掺杂碳纳米管@泡沫镍表面作为超级电容器电极的电化学方面的研究，尚未有报道，而这种无粘结剂的三维复合结构的材料必然会在储能和其他领域有巨大的应用价值。

发明内容