[发明专利]一种柔性固态非对称超级电容器件及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种柔性固态非对称超级电容器件及其制备方法与应用。该超级电容器件的正极材料为以柔性碳布为基底的氮掺杂和氧空位修饰的锰酸锌纳米管阵列材料；负极材料为以柔性碳布为基底的三维石墨烯纳米材料。本发明方法通过设定电化学沉积反应的温度和时间，从而在柔性碳布基底上生长出均匀的锰酸锌纳米管阵列；通过设定NH₃退火的温度和时间，在锰酸锌纳米材料表面引入氮掺杂和氧空位；另一方面，通过控制三维石墨烯纳米材料的生长因素，制备了柔性固态非对称超级电容器件的负极材料。本发明超级电容器件具有倍率容量高和长寿命等优点，在能源储存方面具有很大的应用前景。

技术领域

本发明属于电化学能量存储技术领域，具体涉及一种柔性固态非对称超级电容器件及其制备方法与应用。

背景技术

伴随着环境空气的不断恶化以及传统化石燃料的意义枯竭，开发清洁持续可高效利用的新能源已经成为人类解决能源问题的重中之重。其中，太阳能和风能作为最具有发展前景的新能源在一定程度上满足了能源的需求，但这些能源的输出具有极大的不确定性，不能实现能量的高效利用。。因此，开发高性能的储能装置是新能源大规模开发和可再生清洁能源利用的重要基础。

在众多的储能设备中，超级电容器是一种理想的新型绿色环保储能设备。相比于传统电容器，超级电容器具有较高的能量密度。与可充电电池相比，其具有较大的功率密度(通常为10～100倍)、较短的充放电时间和较长的使用寿命，是一种介于传统电容器与可充电电池之间的新型储能设备。近些年来受到国内外研究者广泛的关注。目前，超级电容器己经在小型电源、通讯设备、电动工具、航空和航天等领域广泛应用。然而商业化的超级电容器仍面临能量密度较低、生产成本高、电位窗口窄和自放电高等问题，难以满足日益增长对高能量密度储能装置的需求。因此开发高比容量和能量密度的新型低成本的电极材料是关键。

与其他材料相比，ZnMn₂O₄(ZMO)材料具有较高的理论电容，资源丰富，价格低廉，环境友好，因而是一种极具发展潜力的高性能电极材料。然而，导电性差和充放电过程中体积变化大等问题导致了材料较差的循环稳定性与倍率性能，限制了它的实际应用。为了改善这一特点，近年来，在材料的形貌结构上做了大量的探索。如纳米片状、纳米线状、颗粒状等。尽管长时间的探索电极材料的电容性能得到了较大的提升，但其本征弱的导电性依然没有得到根本上的解决。因此，发展一种简单高效的ZMO纳米材料的制备方法并从本质上提高其导电能力及储能性能具有重要意义。此外，现有的柔性可弯曲电容器面临着能量密度低以及制造工艺复杂，限制了其实际应用。因此，怎样提高超级电容器的能量密度同时简化其制造工艺是目前的关键任务。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种柔性固态非对称超级电容器件。

本发明的另一目的在于提供上述柔性固态非对称超级电容器件的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述柔性固态非对称超级电容器件的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种柔性固态非对称超级电容器件，包括正极材料、负极材料和固态电解液；所述的正极材料为以柔性碳布为基底的氮掺杂和氧缺陷修饰的ZnMn₂O₄(N-ZMO)纳米管阵列材料；所述的负极材料为以柔性碳布为基底的三维石墨烯(3DG)纳米材料。

所述的正极材料为以柔性碳布为基底的氮掺杂和氧缺陷修饰的ZnMn₂O₄(N-ZMO)纳米管阵列材料通过如下步骤制备得到：