[发明专利]一种超级电容器电极复合材料及其制备方法

说明书

一种超级电容器电极复合材料及其制备方法，属于储能与转换技术领域。本发明提供的电极复合材料是金属有机骨架化合物以及在所述金属有机骨架化合物孔中原位聚合的导电聚合物复合而成的纳米片状材料，其中的导电聚合物分别由碘离子和氯离子或者由碘离子和醋酸根离子两次掺杂而成。本发明结合金属有机骨架化合物高比表面积、丰富反应活性位点和导电聚合物导电性良好的优势，以金属有机骨架化合物、导电聚合物、碘单质以及盐酸或者冰乙酸作为原料，采用气相方式将导电聚合物单体蒸发至金属有机骨架化合物，然后进行两次掺杂。本发明提供的电极复合材料用于超级电容器电极，具有容量大、储能性能好，稳定性强等特性，并且制备工艺简单、成本低、便于批量生产。

技术领域

本发明属于储能与转换技术领域，具体涉及一种超级电容器电极复合材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器(supercapacitor，SC)作为一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能装置，其功率密度高于充电电池，同时，具有充放电效率强、使用寿命长和环境友好等诸多优点。尽管超级电容器电极材料的研究和开发已经取得显著进展，但是目前常用的电极材料低的比表面积及孔隙率抑制了活性组分与电解质的直接接触，降低了电子转移和离子传智的能力，从而导致电极材料的能量密度和功率密度难以提升。

金属有机骨架化合物(Metal organoskeleton compounds，MOFs)系由金属离子与有机配体通过配位作用形成的多孔网状骨架结构材料。与传统的多孔材料相比，MOFs具有结构多样、孔隙率高、比表面积大、孔容可调控、孔表面积易功能化等优点。近年来，多孔MOFs及衍生物逐渐被应用到电化学储能领域，如锂离子电池、燃料电池及超级电容器等。一方面MOFs具有丰富的相互贯穿型孔道结构，便于电子和离子的传输；另一方面，MOFs属于晶态材料，结构高度有序，活性位点均匀分散，暴露的活性位点有利于参与能量转换过程，最终可以有效实现SC电化学储能性能的提升。尽管MOFs构筑的SC具有良好的电化学储能性能，但是MOFs自身结构稳定性影响了其在储能与转换领域的实际应用。为此，目前通过MOFs与其他电化学活性物质有序结合构筑的复合SC为提升电极材料的电化学性能提供了有效的途径。

而导电聚合物(Conductive polymer，CP)是一类重要的法拉弟准电容电极材料，通常认为在快速充放电的过程中，聚合物共轭链上会进行快速可逆的n型或者p型掺杂和脱掺杂的氧化还原反应。其中，导电聚合物的p型掺杂即共轭聚合物链失去电子，而电解液中的阴离子就会聚集在聚合物链中来实现电荷平衡；而导电聚合物的n型掺杂是指聚合物链中富裕的负电荷通过电解液中的阳离子实现电荷平衡，使得电解液中的阳离子聚集在聚合物链中。通过上述氧化还原反应，使聚合物具有较高的电荷密度而产生很高的法拉第准电容，实现电荷的存储。Benjamin Le Ouay等人发表的《Nanostructuration of PEDOT inPorous Coordination Polymers for Tunable Porosity and Conductivity》(《在多孔配位聚合物中的纳米结构化PEDOT的可调孔隙度和导电性研究》)中公开了先将EDOT溶于乙醚中，然后将其蒸发到多孔配位聚合物(Porous Coordination Polymer，PCP)的孔中，再利用碘蒸汽将PCP孔中的EDOT氧化聚合形成PEDOT，从而实现多孔配位聚合物(一种MOFs)/导电聚合物复合材料的构筑(详见10088页右栏第二段)。同时在该篇文章中指出：PEDOT作为一种p型半导体，它的费米能级会由于氧化性分析物的存在而改变，导致电导率的可测变化。正是因为这个原因，PEDOT常用于NO₂的化学抗性检测。由此可知，该篇文章构建的多孔配位聚合物/导电聚合物复合材料随着外界氧化介质的影响，其导电性变化很大，具有气敏特性，适用于气敏传感器的构建，但其导电稳定性差，会严重影响到电化学循环过程中的电容量保持率，因此不适于作为超级电容器的电极材料。

发明内容