电池电极、电池电极的制备方法及混合储能器件技术

本发明专利技术涉及一种电池电极，该电池电极包括多根碳纳米管和过渡金属氧化物纳米颗粒，所述过渡金属氧化物纳米颗粒与所述多根碳纳米管通过C‑O‑M化学键键合连接，其中M代表过渡金属。本发明专利技术还涉及所述电池电极的制备方法及使用所述电池电极的混合储能器件。

Preparation of battery electrode, battery electrode and hybrid energy storage device

【技术实现步骤摘要】
电池电极、电池电极的制备方法及混合储能器件
本专利技术涉及一种电池电极、电池电极的制备方法及混合储能器件。
技术介绍
常用的储能器件主要有锂离子电池和超级电容器，锂离子电池具有能量密度高的特点，但其循环使用寿命短、功率密度低，虽然超级电容器循环寿命长、功率密度高，但其能量密度低，因此急需一种兼具高功率密度和高能量密度的混合储能器件。超级电容电池是一种兼具高能量密度与高功率密度的新型储能器件，它主要通过双电层电容与锂离子嵌/脱两种方式进行“双功能”储能，开发具有“双功能”特征的高性能储能器件意义重大。通常采用具有电容式储锂行为及高理论容量的过渡金属氧化物作为锂离子电池电极的材料，以提高锂离子电池的功率密度。但是，过渡金属氧化物在实际应用中本身存在电导率低、锂离子(Li+)传输慢以及循环过程中结构稳定性差等问题。为解决上述过渡金属氧化物存在的问题，有人提出使用纳米尺度的电极颗粒，可以实现高功率锂离子电池：首先，纳米颗粒往往比较薄，能够显著缩短Li+的扩散路径；其次，该纳米颗粒的电极比表面积很大，表面粒子数目多，能够缓解充/放电过程中产生的体积变化，从而保持电极的完整性并有利于循环稳定性。目前，常采用粘结剂如聚偏氟乙烯(PVDF)将过渡金属氧化物与导电剂粘合在一起来制备超薄材料，作为电极使用，但是过渡金属氧化物在电极中尺寸较大(大于50纳米)、分散性差、易团聚，且与粘合剂之间的结合力弱、易从电极中脱落，从而导致电池容量急剧下降。
技术实现思路
有鉴于此，确有必要提供一种过渡金属氧化物分散性好、不易脱落、不易团聚的电池电极、电池电极的制备方法及混合储能器件。一种电池电极，该电池电极包括多根碳纳米管和过渡金属氧化物纳米颗粒，所述过渡金属氧化物纳米颗粒与所述多根碳纳米管通过C-O-M化学键键合连接，其中M代表过渡金属。一种电池电极，该电池电极由多根复合碳纳米管组成，所述复合碳纳米管由碳纳米管和过渡金属氧化物纳米颗粒通过C-O-M化学键键合连接，其中M代表过渡金属，且所述多根复合碳纳米管相互缠绕且紧密结合而形成一自支撑结构。一种电池电极的制备方法，其具体包括以下步骤：提供多根碳纳米管，所述多根碳纳米管从一超顺排碳纳米管阵列中获得，并预氧化该多根碳纳米管；将该多根碳纳米管置于一溶剂中超声分散得到一碳纳米管悬浊液；向碳纳米管悬浊液中加入含有过渡金属含氧酸根的物质，并搅拌混合均匀；抽滤干燥，得到一过渡金属氧化物/碳纳米管复合电极。一种混合储能器件，该混合储能器件兼具电池及电容特性，其中，该混合储能器件的其中一个电极采用上述电池电极。与现有技术相比，本专利技术提供的电池电极中过渡金属氧化物纳米颗粒通过C-O-M键与碳纳米管支架紧密结合，分散性好、不易团聚、不易从电极中脱落。本专利技术提供的电池电极的制备方法使过渡金属含氧酸根阴离子与预氧化的碳纳米管发生氧化还原反应从而生成过渡金属氧化物纳米颗粒，通过不断搅拌混合，使所述过渡金属氧化物纳米颗粒在电池电极中均匀分布并与碳纳米管紧密结合，该制备方法简单。本专利技术提供的混合储能器件兼具电池及电容特性，并具有较低的容量衰减率及优异的循环稳定性和倍率性能。附图说明图1为本专利技术提供的电池电极的制备方法的流程示意图。图2分别为超顺排碳纳米管预氧化前(图(a))、预氧化后(图(b))及与KMnO4反应后(图(c))的透射电镜照片。图3为MnO2/aCNT复合膜结构的X射线衍射(XRD)图及MnO2晶格形貌的透射电镜照片。图4为MnO2/aCNT复合膜结构的Mn2pX射线光电子能谱分析(XPS)谱图。图5为air-CNT和MnO2/aCNT复合膜结构的氮吸附—解吸等温线。图6为MnO2/aCNT复合膜结构的透射电镜照片。图7为MnO2/aCNT复合电池的照片。图8为air-CNT、MnO2粉末及MnO2/aCNT复合膜结构的拉曼光谱曲线对比图。图9分别为air-CNT及MnO2/aCNT复合膜结构的C1s及K2pX射线光电子能谱分析(XPS)图。图10分别为MnO2粉末(图(a))、air-CNT(图(b))及MnO2/aCNT复合膜结构(图(c))的O1sX射线光电子能谱分析(XPS)谱图。图11为MnO2/ACNT复合膜结构的热重分析曲线图。图12分别为无序碳纳米管rCNT(图(a))、air-CNT(图(b))、MnO2传统刮片电极(图(c))、MnO2/rCNT电极(图(d))及MnO2/aCNT电极(图(e))的扫描电镜照片。图13分别为MnO2(图(a))、MnO2/rCNT(图(b))及MnO2/aCNT电极(图(c))的放电曲线图。图14为MnO2、MnO2/rCNT、氧化ACNT及MnO2/ACNT电极在0.2A·g-1的充放电电流下的循环性能曲线。图15为在0.5A·g-1的恒定放电速率下，对具有不同充电电流下的MnO2、MnO2/rCNT及MnO2/ACNT电极进行倍率测试。图16为分别在2.0A·g-1及5.0A·g-1的大充/放电电流下对MnO2/ACNT电极进行长循环性能测试，其中，三个插图分别为所述MnO2/ACNT电极在2.0A·g-1及5.0A·g-1下第2次循环、第500次循环及第1000次循环的充/放电曲线图。图17为对MnO2/ACNT电极进行动力学分析，图(a)为从0.2mV·s-1到20mV·s-1不同扫描速率下的循环伏安曲线，图(b)为在不同电势下确定b值，图(c)为扫描速率为20mV·s-1的循环伏安曲线，阴影区域的面积为电容式电荷存储所占的比例，图(d)为放电前后的Mn3sX射线光电子能谱分析(XPS)图。如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本专利技术。具体实施方式以下将结合附图及具体实施例详细说明本技术方案所提供的电池电极、电池电极的制备方法及混合储能器件。本专利技术实施例提供一种电池电极，该电池电极包括多根碳纳米管和过渡金属氧化物纳米颗粒，所述过渡金属氧化物纳米颗粒与所述多根碳纳米管通过C-O-M化学键键合连接，其中M代表过渡金属。所述碳纳米管的直径不限。所述碳纳米管可以是单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，优选地，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。所述多根碳纳米管相互缠绕且紧密结合而形成一自支撑膜结构，所谓“自支撑”即该膜结构无需通过一支撑体支撑，也能保持自身特定的形状。该自支撑膜结构可作为过渡金属氧化物纳米颗粒的导电网络和附着载体。所述过渡金属氧化物纳米颗粒在所述电池电极中均匀分布。所述过渡金属氧化物纳米颗粒可以为二氧化锰(MnO2)、二氧化钛(TiO2)、四氧化三铁(Fe3O4)、四氧化三铬(Cr3O4)、四氧化三钴(Co3O4)、二氧化钼(MoO2)、二氧化钒(VO2)等中的一种或多种。优选地，所述碳纳米管的表面具有至少一个孔洞，所述过渡金属氧化物纳米颗粒均匀地设置于所述碳纳米管的表面或孔洞中。因为所述多根碳纳米管可以相互缠绕而形成一自支撑结构，该自支撑结构具有较好的导电性与柔韧性，且过渡金属氧化物纳米颗粒通过化学键与所述多根碳纳米管结合在一起而不易从碳纳米管上脱落，所以所述电池电极可以不需要集流体、导电剂及粘结剂，从而可以降低电池电极的质量、实现储能器件的小型化与轻量化。在一实施例中，所述电池电极仅由所述多根碳纳米管和过渡金属氧化物通过C-O-M化学键本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池电极，其特征在于，该电池电极包括多根碳纳米管和过渡金属氧化物纳米颗粒，所述过渡金属氧化物纳米颗粒与所述多根碳纳米管通过C‑O‑M化学键键合连接，其中M代表过渡金属。

【技术特征摘要】
1.一种电池电极，其特征在于，该电池电极包括多根碳纳米管和过渡金属氧化物纳米颗粒，所述过渡金属氧化物纳米颗粒与所述多根碳纳米管通过C-O-M化学键键合连接，其中M代表过渡金属。2.如权利要求1所述的电池电极，其特征在于，所述多根碳纳米管相互缠绕且紧密结合而形成一自支撑结构。3.如权利要求1所述的电池电极，其特征在于，所述碳纳米管表面具有多个孔洞，所述过渡金属氧化物纳米颗粒设置于所述碳纳米管的表面或孔洞中。4.如权利要求1所述的电池电极，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。5.如权利要求1所述的电池电极，其特征在于，过渡金属氧化物纳米颗粒为二氧化锰、二氧化钛、四氧化三铁、四氧化三铬、四氧化三钴、二氧化钼、二氧化钒中的一种或多种。6.如权利要求1所述的电池电极，其特征在于，所述电池电极含有结构水。7.一种电池电极，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王大涛，孙黎，王珂，王佳平，范守善，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11