一种锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供的一种锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料，包括氮化钛纳米管、沉积在氮化钛纳米管内部和氮化钛纳米管间隙中的锂插层二氧化锰，氮化钛纳米管、沉积在氮化钛纳米管内部和氮化钛纳米管间隙中的锂插层二氧化锰形成同轴异质纳米管阵列结构。本发明专利技术还提供了该复合材料的制备方法及其在锂离子超级电容器制备中的应用。该锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料具有很高的电导性，同时具有较高的储电性能和大电流充放电性能，其可采用简单可行的电化学插层-沉积反应合成方法制得。

【技术实现步骤摘要】
一种锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料及其制备方法与应用
本专利技术属于电化学储能材料领域，特别涉及一种锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料，还涉及该电极材料的制备方法，还涉及该电极材料在锂离子超级电容器中的应用。
技术介绍
能源是人类生存和社会良好发展的重要基础，随着人口的急剧增长和经济的迅猛发展，石化类能源的日益枯竭，能源危机已成为当今世界各国面临的难题，如何进行新能源的开发、存储和合理利用直接关系到人类社会的可持续发展。因此，发展新能源是21世纪必须解决的重大课题。随着科学技术的进步，电动汽车、航空航天、移动通讯、国防科技、新能源发电(风能、太阳能等)和新型电磁武器的发展，人们对高性能电能存储设备需求越来越迫切。目前，任何一种储能技术均有自身的优点和缺点。例如，铅酸电池生产成本最低，但其使用寿命低、能量密度低，且带来坏境污染；镍氢电池具有良好的功率特性，但与锂离子电池相比，同样具有能量低和使用寿命短的不足；锂离子电池能量密度高，其能量密度范围为120～200Wh/kg，但正负极全靠嵌脱锂储能，电极材料在反复的充放电过程中遭受极大的体积变化与不可逆相变，导致使用寿命大大降低，并且受锂离子迁移速率的限制，进一步限制了其在短时间内需要实现快速充放电的高功率设备上的应用。而基于“电双层”原理双电层电容器具有最高的功率密度，其功率密度在2～5kW/kg之间或更高，兼具有数十万次循环使用寿命的优点，但其工作电压窗口低，能量密度也仅为2～5Wh/kg，大大限制了其可应用性。因此，寻求同时具有高比容量和高比功率、循环寿命长等优异性能且廉价、清洁的新能源装置，是世界范围内能源领域的科学家们最关心的课题之一。锂离子电容器一般是采用锂离子电池负极材料、超级电容器正极材料以及锂离子电解质构建的新一代高性能储能器件，它基于双电层（或者法拉第）电容和锂离子电池的作用原理进行协同储电，具有功率和能量密度高、倍率特性好、循环效率高、使用寿命长、单位功率成本低等优点，日益受到广泛关注，逐步用于电动车辆等领域。然而，现有的锂离子电容器一般是正极采用活性炭材料、负极采用嵌锂的碳材料或者嵌锂的多金属氧酸盐材料、电解液采用锂离子有机物的电容器，该电极材料的电导性能和储电性能还有待进一步提高。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料。技术方案：本专利技术提供的一种锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料，所述复合材料包括氮化钛纳米管、沉积在氮化钛纳米管内部和氮化钛纳米管间隙中的锂插层二氧化锰，氮化钛纳米管、沉积在氮化钛纳米管内部和氮化钛纳米管间隙中的锂插层二氧化锰形成同轴异质纳米管阵列结构。作为优选，氮化钛纳米管壁厚为10～20nm、直径为80～150nm、高度为900～1100nm，相邻氮化钛纳米管的间隙为30～60nm。本专利技术还提供了上述锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）氮化钛纳米管电极基体材料制备：以氟化铵、磷酸和乙二醇混合水溶液为反应电解质，以钛片为工作电极，铂片为对电极，采用阳极氧化法以25-35V的工作电压反应2-4h制得二氧化钛纳米管阵列；二氧化钛纳米管阵列先在空气中以400-500℃煅烧1-3h，再在氨气气氛中以750-850℃煅烧1-3h得氮化钛纳米管电极基体材料；（2）采用醋酸锰和硫酸锂的混合水溶液为反应电解质溶液，以氮化钛纳米管电极基体材料作为电极基体材料并作为工作电极，以铂片为辅助电极，以饱和甘汞电极为参比电极，在三电极电化学反应体系中采用电化学插层-沉积反应合成方法制备锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料。步骤（1）中，混合水溶液中，氟化铵的浓度为0.1-0.3mol/L，磷酸浓度为0.4-0.6mol/L，乙二醇浓度为8-10mol/L。步骤（2）中，醋酸锰和硫酸锂的混合水溶液中，醋酸锰的浓度为0.01-0.03mol/L，硫酸锂的浓度为0.8-1.2mol/L。本专利技术还提供了上述锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料在锂离子超级电容器制备中的应用，所述锂离子超级电容器正负电极材料均为锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料，电解质为液态相锂离子电解质或固态相锂离子电解质。所述应用，所述液态相锂离子电解质为摩尔浓度为1.0～3.0mol/L的氢氧化锂水溶液、摩尔浓度为1.0～3.0mol/L的硫酸锂水溶液或摩尔浓度为0.1～1.0mol/L的高氯酸锂碳酸丙烯酯-乙腈溶液，采用微孔纤维素酯薄膜作为电极隔膜；所述固态相锂离子电解质为质量百分比浓度为20～80%的高氯酸锂的聚乙烯醇凝胶或高氯酸锂的聚甲基丙烯酸甲酯凝胶。有益效果：本专利技术提供的锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料具有很高的电导性，同时具有较高的储电性能和大电流充放电性能，其可采用简单可行的电化学插层-沉积反应合成方法制得。基于该锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料和锂离子凝胶电解质构建的锂离子超级电容器具有高功率密度和较高能量密度的性能。附图说明图1（a）为氮化钛纳米管的扫描电镜图。图1（b）为锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管的扫描电镜图。图2（a）为锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管的X射线衍射图。图2（b）为二氧化锰-氮化钛纳米管的X射线衍射图。图3为基于锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管电极以及1.0mol/L硫酸锂水溶液电解质的锂离子超级电容器的恒电流充放电曲线及其比电容性能。图4为基于锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管电极以及3.0mol/L硫酸锂水溶液电解质的锂离子超级电容器的恒电流充放电曲线及其比电容性能。图5为基于锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管电极以及1.0mol/L氢氧化锂水溶液电解质的锂离子超级电容器的恒电流充放电曲线及其比电容性能。图6为基于锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管电极以及3.0mol/L氢氧化锂水溶液电解质的锂离子超级电容器的恒电流充放电曲线及其比电容性能。图7为基于锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管电极以及1.0mol/L氢氧化锂与1.0mol/L硫酸锂混合水溶液电解质的锂离子超级电容器的恒电流充放电曲线及其比电容性能。图8为基于锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管电极以及0.1mol/L高氯酸锂的碳酸丙烯酯/乙腈有机电解质的锂离子超级电容器的恒电流充放电曲线及其比电容性能。图9为基于锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管电极以及0.5mol/L高氯酸锂的碳酸丙烯酯/乙腈有机电解质的锂离子超级电容器的恒电流充放电曲线及其比电容性能。图10为基于锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管电极以及1.0mol/L高氯酸锂的碳酸丙烯酯/乙腈有机电解质的锂离子超级电容器的恒电流充放电曲线及其比电容性能。图11为基于锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管电极以及高氯酸锂质量百分比浓度为20%的聚乙烯醇凝胶电解质的锂离子超级电容器充放电曲线及其比电容性能。图12为基于锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管电极以及高氯酸锂质量百分比浓度为80%的聚乙烯醇凝胶电解质的锂离子超级电容器充放电曲线及其比电容性能。具体实施方式下面通过具体实施例，进一步说明基于锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管电极的锂离子超级电容器的制造方法及其电化学电容性能。锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料的制备。实施例1锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂插层二氧化锰‑氮化钛纳米管复合材料，其特征在于：所述复合材料包括氮化钛纳米管、沉积在氮化钛纳米管内部和氮化钛纳米管间隙中的锂插层二氧化锰，氮化钛纳米管、沉积在氮化钛纳米管内部和氮化钛纳米管间隙中的锂插层二氧化锰形成同轴异质纳米管阵列结构。

【技术特征摘要】
1.一种锂插层二氧化锰-氮化钛纳米管复合材料，其特征在于：所述复合材料包括氮化钛纳米管、沉积在氮化钛纳米管内部和氮化钛纳米管间隙中的锂插层二氧化锰，氮化钛纳米管、沉积在氮化钛纳米管内部和氮化钛纳米管间隙中的锂插层二氧化锰形成同轴异质纳米管阵列结构；所述氮化钛纳米管壁厚为10～20nm、直径为80～150nm、高度为900～1100nm，相邻氮化钛纳米管的间隙为30～60nm；所述复合材料的制备方法包括以下步骤：(1)氮化钛纳米管电极基体材料制备：以氟化铵、磷酸和乙二醇混合水溶液为反应电解质，混合水溶液中，氟化铵的浓度为0.1-0.3mol/L，磷酸浓度为0.4-0.6mol/L，乙二醇浓度为8-10mol/L；以钛片为工作电极，铂片为对电极，采用阳极氧化法以25-35V的工作电压反应2-4h制得二氧化钛纳米管阵列；二氧化钛纳米管阵列先在空气中以400-500℃煅烧1-3h，再在氨气气氛中以750-850℃煅烧1-3h得氮化钛纳米管电极基体材料；(2)采用醋酸锰和硫酸锂的混合水溶液为反应电解质溶液，其中，醋酸锰的浓度为0.01-0.03mol/L，硫酸锂的浓度为0.8-1.2mol/L以氮化钛纳米管电极基体材料作为电极基体材料并作为工作电...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢一兵，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32