[发明专利]一种石墨烯掺杂MnO2

说明书

本发明公开一种石墨烯掺杂MnO₂碳布基柔性复合电极的制备方法，将加入分散剂TNRDIS的石墨烯分散水溶液、硫酸锰溶液的混合溶液作为刷镀液，采用电刷镀工艺，直接在作为阳极基体的柔性碳布表面刷镀石墨烯与MnO₂的混合相，得到活性物质内部由石墨烯互联形成三维导电网络的石墨烯掺杂二氧化锰碳布基柔性复合电极。本发明工艺简便成熟、时间周期短、制备效率高、刷镀液环保无污染，由此制备的柔性电极表面活性材料与基体结合强度高、力学性能优异，可反复弯折，且具有高能量密度、低内阻和高比电容的性能优势，适用于折叠设备、可穿戴式传感器、航空航天等领域。

技术领域

本发明一种石墨烯掺杂MnO₂碳布基柔性复合电极的制备方法，涉及采用石墨烯对超级电容器电极材料二氧化锰掺杂改性的办法，具体属于电容器柔性电极材料技术领域。

背景技术

超级电容器是一种介于电池和传统电容器之间的新型储能装置，具有高功率密度、高比电容、长寿命、大电流充放电等特点，因此在新能源汽车、应急能源、航空航天、便携式设备等领域有着广泛的应用前景。近年来，由于电子设备越来越趋向于便携式、轻量化、可折叠弯曲柔性化，而现有的储能设备包括离子锂电池、铅酸蓄电池、镍氢电池等都无法具备柔性、高功率密度、高能量密度的优点，所以开发新型柔性储能材料就变得愈发重要。

MnO₂是一种具有宽电位窗口、较高理论电容性能(1370 F g^-1)、自然资源储量丰富、成本低、毒性低的电极材料，但由于其键合存在较多共价键和d²sp³的价电子杂化形式，导致MnO₂呈现硬脆性和载流子迁移率低的特点，这使得MnO₂易发生剥落和微结构坍塌现象，且在实际使用过程中比电容较低，不利于实际应用。石墨烯是一种良好的导电二维材料兼具优异的力学性能、大比表面积和轻量化特征，所以经常被用作与MnO₂复合来弥补MnO₂导电性不足、硬脆性较大特点的候选材料。市场上商用柔性碳布工艺成熟，能够大批量生产，成本低、质量轻、厚度薄、柔韧性优异且导电性良好。因此以商用碳布为电极基体，采用电刷镀工艺使石墨烯和MnO₂在刷镀过程中自然进行掺杂过程，利用石墨烯高导电和高柔韧性特点，制备高体积比电容，高柔性，轻质灵活的超级电容器可穿戴式正极电极。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电刷镀工艺制备石墨烯掺杂MnO₂的碳布基柔性复合电极的方法，使得石墨烯掺杂MnO2柔性电极在高活性物质搭载量的条件下兼具高比电容和高稳定性、高柔韧性的特点。

本发明一种石墨烯掺杂MnO₂碳布基柔性复合电极的制备方法采用电刷镀工艺的方式，以石墨烯分散水溶液、硫酸锰溶液的混合溶液作为刷镀液直接在作为阳极基体的柔性碳布表面电刷镀石墨烯与MnO₂的混合相，得到石墨烯掺杂二氧化锰的碳布基柔性复合电极：

步骤1：将石墨烯加入到分散剂TNRDIS（石墨烯水分散剂）的水溶液中，超声分散40~80min，得到石墨烯水分散液与硫酸锰溶液的混合液作为刷镀液，其中石墨烯含量为0.1 ~5.0 mg mL^-1，分散剂含量为0.02~1.0 mg mL^-1，硫酸锰溶液的浓度为0.1 ~ 0.5 mol L^-1；

步骤 2：将刷镀机阳极电极夹夹住柔性碳布的电极引线，刷镀机阴极电极夹夹住刷镀笔，将刷镀笔浸入步骤1配制的刷镀液中，待完全浸湿后，打开刷镀机电源，调整输出电压为6.0 ~10.0 V，在阳极基体柔性碳布表面进行电刷镀，电刷镀结束后用去离子水反复清洗制备的阳极电极3~5min，其中刷镀时间为120 ~ 600 s，刷镀液温度控制为50~80℃；