一种多元复合纳米材料、其制备方法及其用途技术

本发明专利技术提供了一种超级电容器用多元复合纳米材料及其制备方法，所述材料含有碳材料、金属氧化物和导电聚合物，其组分可以是其中两种或两种以上的材料。本发明专利技术主要是利用碳材料良好的导电性、长循环寿命、高比表面积，金属氧化物较高的赝电容容量和导电聚合物的低内阻、低成本、高工作电压等特性，使得不同类型电极材料之间产生协同效应，优势相互结合，缺陷相互减弱，同时发挥双电层电容和赝电容储能特性，制备出了具有高功率密度、良好循环稳定性能和相对较高能量密度的复合电极材料，该多元复合纳米材料用于超级电容器电极时综合性能优异，且具有制备工艺简单、周期短、成本低等优点，适于大规模工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电化学及纳米复合材料领域，具体地，本专利技术涉及ー种多元复合纳米材料、其制备方法及其用途。
技术介绍
近年来，为了解决全球资源和能源日渐枯竭，人类生态环境日益恶化等问题，现代社会要求大規模使用能量密度高，功率密度大，环境友好型的储能装置，使得超级电容器的研究成为世界各国科研工作者关注的ー个重要课题。电极材料是影响超级电容器性能的主要因素之一，只有开发出高性能的电极材料才能生产出高性能的超级电容器。目前对单ー碳材料，金属氧化物材料，导电聚合物材料以及简单ニ元复合材料研究的比较多，而综合性能优异的三元或者多元复合材料报道还很少。碳材料超级电容器具有闻的比表面积、良好的导电性、闻稳定性、价格便宜等优势，是ー种比较成熟的，商业化的超级电容器电极材料，但它同时存在比容量较低，不适合大电流充放电等缺点，限制了其在诸多领域的发展。金属氧化物具有较高的比容量和能量密度，其性能优于碳材料，但它的导电性不好，循环寿命短，且价格昂贵。导电聚合物具有导电性好，エ艺简单和价格便宜等优点，且具有较高的工作电压，能够提供较高的能量密度，但它的比容量和稳定性能还有待提高，且该材料循环性能较差，无法满足实用化的需求。功率密度和能量密度是衡量电能储存装置的两个最重要的指标。超级电容器与ニ次电池相比较，在功率密度和循环寿命方面较二次电池具有明显优势，但超级电容器的能量密度却远远低于锂离子电池。因此，超级电容器在对能量密度要求较高的场合还不能替代锂离子电池。高能量密度是目前对超级电容器性能提出的最迫切要求。如果超级电容器能够具备和锂离子电池一祥高的能量密度，那么将在许多领域取得更广泛的应用。E=1/2CV2是计算超级电容器能量密度的公式，通过该公式我们可以发现两种提高超级电容器的能量密度的方法:一种是提高超级电容器的容量(C)，另外ー种是提高超级电容器的工作电压(V)。而超级电容器的容量(C)可以通过复合高比容量的金属氧化物材料，最终达到提高超级电容器容量的目的。而电容器的工作电压(V)可以通过复合具有高电位的导电聚合物材料得以有效的提高。CN1388540A公开了ー种碳纳米管复合电极超大容量电容器,所述电容器米用六种材料制备:碳纳米管与过渡金属氧化物复合物、碳纳米管与导电聚合物系列复合物、碳纳米管与过渡金属氧化物、导电聚合物同时复合产物、碳纳米管与过渡金属氧化物、活性炭系列同时复合产物、碳纳米管与导电聚合物系列、活性炭系列同时复合产物或碳纳米管与过渡金属氧化物、导电聚合物、活性炭系列同时复合产物。但是该专利所用的金属氧化物仅为镍和锰的氧化物，在复合材料的组成上有很大局限，而且上述专利没有考察复合纳米材料的电化学性能，使其在实际应用中的可行性受到阻碍。CN102280263A公布了以作为电极的电化学电容器，所述电容器所用的电极材料为碳纳米管/氧化锰复合材料，制备过程中依次采用磁控溅射和化学气相沉积的方法来制备该复合材料，但是该专利不仅成本高，制备エ艺复杂，而且不宜实现规模化生产。因此，采用简单且成本低的方法制备ー种具有高功率密度、良好循环稳定性能和相对较高能量密度的复合电极材料是所属领域的技术难题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的之ー在于提供ー种多元复合纳米材料。该复合纳米材料使不同类型电极材料之间产生协同效应，优势相互结合，缺陷相互减弱，同时发挥双电层电容和赝电容储能特性，具有高功率密度、良好循环稳定性能和相对较高能量密度，满足实用化的要求。所述多元复合纳米材料包括碳材料、金属含氧化合物和导电聚合物中的2种或3种，其中所述金属含氧化合物为金属氧化物和/或金属氢氧化物。优选地，所述多元复合纳米材料由碳材料、金属含氧化合物和导电聚合物中的2种或3种组成，其中所述金属含氧化合物为金属氧化物和/或金属氢氧化物。所述多元复合纳米材料的组成实例可以为碳材料/金属氧化物、碳材料/金属氢氧化物、碳材料/金属氧化物/金属氢氧化物、碳材料/金属氧化物/导电聚合物、碳材料/金属氢氧化物/导电聚合物、碳材料/金属氧化物/金属氢氧化物/导电聚合物、碳材料/导电聚合物、金属氧化物/导电聚合物、金属氢氧化物/导电聚合物、金属氧化物/金属氢氧化物/导电聚合物等。在本专利技术中，除非有特殊说明，“/”意为“和”。在所述多元复合纳米材料中，碳材料、金属含氧化合物和导电聚合物的含量可由所属领域技术人员根据其掌握的专业知识和实际需要确定。优选地,所述碳材料为活性碳、碳纳米管、石墨烯或石墨烯纳米带中的I种或至少2种的组合。优选地，所述金属氧化物为过渡金属氧化物和/或IV A族金属氧化物，特别优选为ニ氧化锰、四氧化三锰、四氧化三钴、四氧化三铁、ニ氧化锡或氧化镍中的I种或至少2种的组合。优选地，所述金属氢氧化物为过渡金属氢氧化物和/或IV A族金属氢氧化物，进ー步优选为氢氧化锰、氢氧化钴、氢氧化铁、氢氧化锡或氢氧化镍中的I种或至少2种的组合，特别优选为氢氧化钴和/或氢氧化镍。优选地，所述导电聚合物为聚こ炔、聚咔唑、聚对苯、聚噻吩、聚吡咯或聚苯胺及它们的衍生物中的I种或至少2种的混合物，更优选为聚噻吩、聚吡咯或聚苯胺及它们的衍生物中的I种或至少2种的混合物。本专利技术的目的之一还在于提供一种所述多元复合纳米材料的用途。所述多元复合纳米材料可用于超级电容器。本专利技术的目的之一还在于提供所述多元复合纳米材料的制备方法。(一)含金属含氧化合物的多元复合纳米材料的制备方法将所需制备的多元复合纳米材料中除金属含氧化合物的其它组分和金属盐加入至溶剂中，分散，加入碱性物质，超声反应，除杂，得到含金属含氧化合物的多元复合纳米材料，其中，所述金属含氧化合物为金属氧化物和/或金属氢氧化物。所述除金属含氧化合物的其它组分可以为碳材料、碳材料/导电聚合物复合材料或导电聚合物；所述碳材料/导电聚合物复合材料可通过现有技术制备或市售获得，也可通过本专利技术下文所述方法制备得到。得到的多元复合纳米材料中的金属含氧化合物种类根据金属的性质不同而改变。例如，钴盐和锰盐经此反应后分别得到四氧化三钴和四氧化三锰，镍盐经此反应后得到氢氧化镍。所述金属盐的种类在此不再进行限定，所有已知/未知的金属盐都在本专利技术的保护范围内，例如可以为卤化物(例如氯化物、氟化物、溴化物和/或碘化物)、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、こ酸盐、草酸盐、柠檬酸盐、高锰酸盐中的I种或至少2种的组合，所属领域技术人员可根据其专业知识和实际需要选择。所述碱性物质可以为氢氧化物、氨水、碱性盐等、例如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氨水、碳酸氢钠、四甲基氢氧化铵、有机金属锂化合物(如丁基锂、ニ异丙基氨锂、苄基锂等)、格氏试剂、烷基铜锂、醇钠或醇钾(如甲醇钠、こ醇钠、こ醇钾、叔丁醇钠等)、胍或季铵喊等。优选地，所述溶剂为こ醇和/或水。优选地，除金属含氧化合物的其它组分的浓度之和为0.00ri2g/L,进ー步优选为0.005 10g/L，特别优选为0.01 8g/L。优选地，所述金属盐的浓度为0.0Or0.5mol/L,进ー步优选为0.003^0.3mol/L,特别优选为0.005^0.2mol/L。优选地，所述分散为机械搅拌和/或超声分散。优选地，所述 碱性物质的介入方式为滴加。优选地，所述除杂包括离心、洗涤和干燥。所述除金属含氧化合物的其它组分和金属盐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多元复合纳米材料，包括碳材料、金属含氧化合物和导电聚合物中的2种或3种，其中，所述金属含氧化合物为金属氧化物和/或金属氢氧化物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谭强强，徐宇兴，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：