[发明专利]一种水系高电压电极材料的制备方法及应用

说明书

一种水系高电压电极材料的制备方法及应用，包括：制备具有高导电性、高比表面的碳布/碳纳米墙为基底材料；通过电化学沉积及电化学氧化法制备Na_0.5MnO₂纳米片阵列；得到碳布/碳纳米墙/Na_0.5MnO₂纳米片正极材料；通过水热法及后续退火制备碳包覆的多孔VN纳米片阵列；得到碳布/碳纳米墙/碳包覆的多孔VN纳米片负极材料。并将上述材料应用于制备非对称水系超级电容器。本发明制备的非对称的水系超级电容器，其工作电压可达2.6 V，同时具有96.7 W h kg^‑1的能量密度、优异的循环稳定性和安全性等特点，为设计制备高能量密度超级电容器提供了一种有效的方法。

技术领域

本发明属于电化学储能领域，涉及一种水系高电压电极材料的制备方法及应用。

背景技术

超级电容器作为一种新型储能器件，因其具有相较于电池高得多的功率密度、快速的充放电能力、极高的寿命、温度范围宽和环境友好等特点而备受关注。但是其能量密度远低于电池，极大的限制了其在各个领域的应用。因此，如何通过设计具有高效的电极材料来提高其能量密度成为现阶段迫切待解决的问题。

超级电容器的电极分为正极和负极。目前，大多数研究工作都是集中在如何制备高比电容的赝电容正极材料上，但当应用到超级电容器中时，其高比电容并不能有效的发挥出来，而且器件的电压范围窄，根据能量密度公式E = 1/2 CV²（其能量密度(E)与其比容量(C)和工作电位窗口(V)成正比），所制备的超级电容器能量密度仍然较低。其主要原因在于，目前大多数赝电容正极材料电压范围窄，其极高的比电容与低比电容的碳基负极材料难以有效匹配，导致器件能量密度较难提高。所以，制备高能量密度的超级电容器必须同时兼顾正极和负极，需要同时制备电压范围宽，比电容匹配的正负极来提高超级电容器能量密度。同时，为避免有机电解液带来的安全问题，环保的水系超级电容器越来越受到人们的关注。

MnO₂具有较高的析氧电位(1V)和较高的比电容，是一种极具潜力的高电压超级电容器正极电极材料。最近，夏晖课题组通过原位电化学氧化Mn₃O₄制备的Na_0.5MnO₂纳米墙复合电极，其电压窗口可以扩展到0~1.3 V (vs. Ag/AgCl)，比电容可达到366 F g^-1（Adv.Mater. 2017, 1700804）。进一步扩展的MnO₂基材料作为高电压超级电容器的可能。如上所述，制备与之对应的高电压负极也很关键，但是目前制备的负极材料电压普遍偏低，而且负极比电容也较低。如何制备具有较高的工作电压、高比电容的负极仍然具有挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种水系高电压电极材料的制备方法及应用。通过同时制备高电压及电容量匹配的正负极，组装成非对称的水系超级电容器，其工作电压可达2.6 V，同时具有较高的能量密度、功率密度、优异的循环稳定性和安全性等特点，为设计制备高能量密度超级电容器提供了一种有效的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种水系高电压电极材料的制备方法，其特征是以高导电性的碳布/碳纳米墙阵列作为基底，在其表面生长褶皱的Na_0.5MnO₂纳米片作为正极及碳包覆的多孔VN纳米片作为负极，以Na₂SO₄水溶液作为电解液，组装成非对称的扣式超级电容器。这种非对称超级电容器具有2.6 V的工作电压，在1294 W kg^-1的功率密度下具有96.7 W h kg^-1的能量密度，在恒电流下循环10000次后，该非对称水系超级电容器还具有92.5%的电容量保持率。

本发明所述的一种水系高电压电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤。