NaxMnO2正极材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种NaxMnO2正极材料、制备方法及其应用，其步骤为：（1）通过对生长在碳布上的Mn3O4纳米颗粒自组装成的纳米墙阵列进行水热，从而形成高Na含量的Na0.55MnO2纳米片自组装成的纳米墙阵列。Na0.55MnO2纳米墙阵列工作电位窗口可以扩展到0～1.3V（vs. Ag/AgCl）,比电容量可以达到366F g

NaxMnO2 positive electrode material, preparation method and application thereof

The invention discloses a NaxMnO2 cathode material, preparation method and application thereof, which comprises the following steps: (1) through the wall of Mn3O4 nanoparticles nano array growth on carbon cloth self assemble into hot water, nano Na0.55MnO2 nano sheet wall array to form a high content of Na self assembling. Na0.55MnO2 nano array wall working potential window can be extended to 0 ~ 1.3V (vs. Ag/AgCl), specific capacitance can reach 366F G

【技术实现步骤摘要】
NaxMnO2正极材料、制备方法及其应用
本专利技术专利涉及高Na含量的NaxMnO2正极材料、制备方法以及利用这种正极材料构建2.6V超宽电位窗口的水系非对称超级电容器的方法，属于电化学储能

技术介绍
超级电容器是介于电池和传统电容之间的一种新型高效的二次电源，具有循环寿命长、功率密度高、安全、环境友好等优点。其功率密度比电池要高出10到100倍，可瞬间释放特大电流，因此非常适用于电动交通工具。例如超级电容器可以与锂二次电池等高能电池配合使用作为电动交通工具的，在启动、爬坡、加速等大功率输出的工况下使用超级电容器，可以极大地提高电动交通工具的性能。此外，超级电容器还可作为备用电源、独立电源在通信、工业等领域广泛应用。因此，超级电容器一直是人们研究的热点。水系超级电容器的最主要的缺点是能量密度低，严重限制了超级电容器进一步广泛应用，所以目前的首要任务就是提高超级电容器的能量密度。根据能量密度公式E＝1/2CV2,其能量密度(E)与其工作电位窗口(V)和其容量(C)有关，其中从公式可以看出能量密度和工作电位窗口存在指数关系，因此提高工作电位窗口显得尤为重要。由于MnO2具有较大的比电容以及较高的析氧电位(1V)，因此非常适合做高电位超级电容器的电极材料。但目前报道的以MnO2为基的超级电容器如ACSNano,6(5)，4020–40282012、AdvancedFunctionalMaterial，21，2366–2375，2011等工作电位窗口在1.6V～2.0V之间，能量密度在20～50Whkg-1，能量密度和电位窗口都比较有限。最近，有几个课题组包括本课题组发现对MnO2进行预嵌阳离子如(Na+和K+)，可以有效提高MnO2的电化学行为，在MnO2里嵌入大量阳离子仍然非常困难。
技术实现思路
为了克服当前水系超级电容器电位窗口窄、能量密度低的现状，本专利技术的目的是提供一种高Na含量的NaxMnO2正极材料、制备方法以及利用这种正极材料构建2.6V超宽电位窗口的水系非对称超级电容器的方法，它同时具有高的功率特性、优异的循环寿命、2.6V超宽工作电位窗口、高的能量密度以及低成本和良好的安全性能等特点。为实现上述专利技术目的，本专利技术采取的技术方案为：一种NaxMnO2正极材料，所述的NaxMnO2正极材料中的x＝0.55。上述NaxMnO2正极材料的制备步骤如下：1)利用阴极电沉积方法在预处理后的碳布上制备Mn3O4纳米墙阵列；2)将Mn3O4纳米墙阵列浸没在NaOH溶液中，然后于120℃～180℃下水热反应12～25h，得到Na0.55MnO2纳米墙阵列。进一步的，步骤2)中，NaOH溶液的摩尔浓度为0.5～1.5M。上述NaxMnO2正极材料作为正极材料构建2.6V水系非对称超级电容器中的应用。与现有技术相比，本专利技术的优点是：(1)Na0.55MnO2具有超高的Na含量，高Na含量的MnO2具有优异的电化学性能，包括超宽的电位窗口0～1.3V(vs.Ag/AgCl),高的比电容量366Fg-1，以及优异的倍率性能和循环稳定。(2)Na0.55MnO2//Fe3O4@C水系非对称超级电容器具有超宽工作电位窗口2.6V、超高的能量密度87Whkg-1,其中2.6V的电位窗口高于目前所有已报道的水系超级电容器。这一专利技术对于推动水系超级电容器的进一步发展具有重要的意义。(3)本专利技术都是在碳布上制备电极材料，无粘结剂、导电剂的使用，制备流程短，便于大规模生产。并且组装成的超级电容器具有良好的可弯曲折叠型，非常适合柔性可穿戴电子设备。附图说明图1为实施例1中的Na0.55MnO2的扫描电镜图。图2为实施例1中的Na0.55MnO2电极材料的充放电曲线。图3为实施例1中的Na0.55MnO2//Fe3O4@C水系非对称超级电容器的充放电曲线。图4为实施例1中的Na0.55MnO2//Fe3O4@C水系非对称超级电容器的循环寿命图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明：实施例1第一步：碳布的预处理：利用硝酸处理碳布90℃、6h，去除表面杂质，无水乙醇中保存备用。第二步：利用阴极电沉积方法在碳布上制备Mn3O4纳米墙阵列。阴极电沉积方法是基于三电极体系，其中以碳布为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极，将三电极置于由0.1M乙酸锰和0.1M的硫酸钠电解液中进行-1.8V恒电压沉积，保持20min，得到Mn(OH)2纳米墙阵列，然后放置在空气中最终形成Mn3O4纳米墙阵列。第三步：在Mn3O4纳米墙阵列的基础上，利用水热方法制备Na0.55MnO2纳米墙阵列。具体包括：将Mn3O4纳米墙阵列浸没在40mL1MNaOH溶液中，然后转移到水热釜中进行水热，水热温度为160℃，时间为20h，最终得到Na0.55MnO2纳米墙阵列。图1为本实施例得到的Na0.55MnO2纳米墙的扫描电镜图，通过测试检测出本实施例可以完全得到由纳米片组装成的Na0.55MnO2纳米墙正极材料。图2为Na0.55MnO2电极材料的充放电曲线，检测出Na0.55MnO2材料的电位窗口可以达到0～1.3V。第四步：最后以1MNa2SO4为电解液，利用相同面积的Na0.55MnO2正极和Fe3O4@C负极，在乙酸纤维膜隔膜隔绝下利用金属集流体组装成水系非对称超级电容器，其中利用铝塑膜作为封装膜。图3为本实施例中Na0.55MnO2//Fe3O4@C超级电容器的充放电曲线，从图可以看出此超级电容具有2.6V的稳定工作电位窗口，并且具有极高的库伦效率。图4为本实施例中Na0.55MnO2//Fe3O4@C超级电容器的循环寿命图，7000圈之后仍有97％的容量保持率，表现出极其稳定的电化学稳定性。实施例2第一步：碳布的预处理：利用硝酸处理碳布90℃、6h，去除表面杂质，无水乙醇中保存备用。第二步：利用阴极电沉积方法在碳布上制备Mn3O4纳米墙阵列。阴极电沉积方法是基于三电极体系，其中以碳布为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极，将三电极置于由0.1M乙酸锰和0.1M的硫酸钠电解液中进行-1.8V恒电压沉积，保持20min，得到Mn(OH)2纳米墙阵列，然后放置在空气中最终形成Mn3O4纳米墙阵列。第三步：在Mn3O4纳米墙阵列的基础上，利用水热方法制备Na0.55MnO2纳米墙阵列。具体包括：将Mn3O4纳米墙阵列浸没在40mL1MNaOH溶液中，然后转移到水热釜中进行水热，水热温度为160℃，时间为12h，最终得到Na0.55MnO2纳米墙阵列。第四步：最后以1MNa2SO4为电解液，利用相同面积的Na0.55MnO2正极和Fe3O4@C负极，在乙酸纤维膜隔膜隔绝下利用金属集流体组装成水系非对称超级电容器，其中利用铝塑膜作为封装膜。实施例3第一步：碳布的预处理：利用硝酸处理碳布90℃、6h，去除表面杂质，无水乙醇中保存备用。第二步：利用阴极电沉积方法在碳布上制备Mn3O4纳米墙阵列。阴极电沉积方法是基于三电极体系，其中以碳布为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极，将三电极置于由0.1M乙酸锰和0.1M的硫酸钠电解液中进行-1.8V恒电压沉积，保持20min，得到Mn(OH)2纳米墙阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种NaxMnO2正极材料，其特征在于，所述的NaxMnO2正极材料中的x＝0.55。

【技术特征摘要】
1.一种NaxMnO2正极材料，其特征在于，所述的NaxMnO2正极材料中的x＝0.55。2.如权利要求1所述的NaxMnO2正极材料，其特征在于，制备步骤如下：1)利用阴极电沉积方法在预处理后的碳布上制备Mn3O4纳米墙阵列；2)将Mn3O4纳米墙阵列浸没在NaOH溶液中，然后于120℃～180℃下水热反应12～25h，得到Na0.55MnO2纳米墙阵列。3.如权利要求2所述的NaxMnO2正极材料，其特征在于，步骤2)中，NaOH溶液的摩尔浓度为0.5～1....

【专利技术属性】
技术研发人员：夏晖，孙硕，翟腾，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32