[发明专利]一种柔性超级电容器电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种柔性超级电容器电极材料及其制备方法和应用，属于超级电容器电极材料技术领域；其中，所述电极材料制备方法包括以下步骤：先对碳布、碳纳米管进行预处理，然后将碳纳米管接枝在碳布上，再依次负载MnO₂和聚吡咯；本发明通过引入碳纳米管形成三维导电通路，可以保证电子/离子在电极内部的有效传输，从而有利于活性物质更好地发挥电化学性能；包覆聚吡咯可以抑制MnO₂在充放电过程中的溶解，同时MnO₂纳米片层结构因具有很大的比表面积，也可以解决聚吡咯过度致密的问题，两者协同作用，使得电极材料表现出很高的容量同时又具备优良的循环性能。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料技术领域，具体涉及一种柔性超级电容器电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着柔性便携式和可穿戴电子设备、电动汽车、柔性显示器件的迅速发展，柔性超级电容器逐渐进入人们的日常生活。与传统电子设备相比，在满足基本电化学性能要求下，柔性超级电容器具有质量轻、可折叠、可弯曲、柔韧性好的优势。影响超级电容器的主要因素有电极材料、电解液、隔膜等。其中电极材料的选择，直接决定了超级电容器的结构以及电化学性能。因此，寻找合适的柔性电极材料成为改良超级电容器储能密度的主要研究方向。

柔性超级电容器可使用的柔性基底材料包括布料、纸基材料、碳布、塑料膜等，其中碳布(CC)具有优异的导电性、良好的柔韧性、较宽的电位窗口，并且质量轻、耐高温、耐腐蚀，在酸性或碱性电解质中能够保持稳定，是理想的柔性电极衬底。但是碳布的比表面积低，内部空隙也不够大，本身的电容特性较低，因此通常在其基础上通过物理和化学法负载金属氧化物或导电聚合物等高赝电容物质，形成高性能的柔性电极材料。

目前超级电容器的电极材料研究中，二氧化钌、二氧化锰、三氧化二钴、镍氧化物以及钒氧化物研究较多。其中MnO₂因其廉价、低毒、环境污染小而且理论比电容高，引起研究者的广泛关注。例如专利文献CN111564320B公开了一种纳米MnO₂-改性碳布的超级电容器电极材料，先以聚苯乙烯为模板制备得到碳纳米管空心微球，再通过水热法在碳纳米管空心微球上负载MnO₂，然后将其制成浆料涂覆在碳布上；该方法制备的纳米尺寸的MnO₂比表面积高，可以暴露出更多的氧化还原反应活性位点，同时利用碳纳米管具有很高的导电性，大幅增强了电极材料的导电性能；但是该方法用的是粉末，需要先制成浆液，通过导电炭黑和粘结剂涂覆在基材上制备工作电极，这种方法制得的电极材料内阻大，电化学性能较差；而且该专利没有考虑到二氧化锰在充放电过程中有着不可逆溶解等问题，从而会影响电极材料整体的倍率性能和循环稳定性。

专利文献CN112908722A公开了一种制备高比电容的MnO₂-碳布复合柔性电极材料的方法，在碳布基底材料上直接生长MnO₂，避免了使用粘结剂所造成内阻较高，可大幅度提高柔性基底材料的导电性及MnO₂的电化学性能；但是，该专利同样没有考虑MnO₂的溶解问题，而且电沉积的方法受操作条件的限制难以实现大规模应用。实际上MnO₂和大多数氧化物一样导电性较差，这大大限制了它的实际容量和功率。MnO₂理论比容量约为1300F/g，但实际上能表现出来的比容量往往不足250F/g。为解决二氧化锰的导电性问题，研究者们已经做出了各方面的努力，通常是和导电性较好的碳复合，如石墨烯、碳纳米管等；或者和导电性较好的金属复合，如Au纳米颗粒、Ag纳米颗粒等。然而，这些努力还是没有将MnO₂的容量大幅度提高。现有技术所制得的MnO₂/CC复合电极材料比电容低、并且循环寿命短，如何将二氧化锰负载在碳布上，制备高性能的柔性电极材料是目前亟待解决的技术难题。

发明内容