一种用于超级电容器的电极材料的制备方法

摘要

本发明一种用于超级电容器的电极材料的制备方法，将氧化石墨烯纳米带超声分散于水中得到氧化石墨烯纳米带分散液；向氧化石墨烯带分散水溶液中加入苯胺，搅拌后加入引发剂，反应后得到中间产物的混合分散液；将二氧化锰纳米颗粒加入到中间产物的混合分散液中，然后超声分散得到二氧化锰纳米颗粒/中间产物的混合分散液；向二氧化锰纳米颗粒/中间产物的混合分散液中继续加入苯胺，搅拌反应，过滤，洗涤至pH值中性，干燥后得到石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺用于超级电容器的电极材料。通过本发明方法制备的石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺复合材料用作超电容电极材料时，表现出优异的电容性能和循环寿命。

权利要求

1.一种用于超级电容器的电极材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将氧化石墨烯纳米带超声分散于水中得到氧化石墨烯纳米带分散液，所述的氧化石墨烯纳米带在水中的质量分散浓度为0.1～10mg/mL；

2)向步骤1)制得的氧化石墨烯纳米带分散液中加入第一批苯胺，所述的第一批苯胺与氧化石墨烯纳米带的质量比为0.1～20:1，搅拌5～30分钟，随后加入引发剂，所述的引发剂与氧化石墨烯纳米带的质量比为0.1～25:1，在-10～5℃下，搅拌反应5～60分钟得到中间产物的混合分散液；

3)称取二氧化锰纳米颗粒，加入到步骤2)得到的中间产物的混合分散液中，所述的二氧化锰纳米颗粒和氧化石墨烯纳米带的质量比为0.1～15：1，然后超声分散5～60分钟，得到二氧化锰纳米颗粒/中间产物的混合分散液；

4)向步骤3)中制得二氧化锰纳米颗粒/中间产物的混合分散液中继续加入第二批苯胺，所述的第二批苯胺与氧化石墨烯纳米带的质量比为0.1～20:1，在-10～5℃下，搅拌反应5～60分钟，过滤，并依次用乙醇、去离子水重复洗涤至pH值中性，将所得的物质在60～80℃干燥24～48小时，即得到石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺用于超级电容器的电极材料。

2.根据权利要求1所述的一种用于超级电容器的电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述的引发剂为过氧化氢、过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵、重铬酸钾、重铬酸钠、氯化铁、或者氯化锰中的任意一种或者两种以上的组合。

3.根据权利要求1所述的一种用于超级电容器的电极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述的二氧化锰纳米颗粒为二氧化锰纳米线、二氧化锰纳米片、二氧化锰纳米棒、或者二氧化锰纳米球中的任意一种或者两种以上的组合。

说明书

一种用于超级电容器的电极材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于物理学领域，涉及一种电极材料，具体来说是一种用于超级电容器的电极材料的制备方法。

背景技术

[0002] 超级电容器是一种介于普通电容器和化学电池之间的储能器件，兼具两者的优点，如功率密度高、能量密度高、循环寿命长、可快速充放电，并具有瞬时大电流放电和对环境无污染等特性。因为其具有极其重要和广阔的应用前景成为人们研究的热点之一。作为一种绿色环保、性能优异的新型储能器件，超级电容器在众多的领域有广泛的应用。电解质材料是影响超级电容器性能的关键因素，因此，近年来，人们对超级电容器材料的制备合成改性做出了大量的研究。

[0003] 二氧化锰是理想的超电电容器材料，因为二氧化锰作为超级电容器材料具有诸多优势：较高的理论电容值，较好的环境兼容性，价格低廉，无毒安全，储量丰富。但是，在实际应用中，纯相的二氧化锰由于其较差的导电性以及在循环过程中出现的二氧化锰电极发生电化学溶解，导致其表现出来的性能往往不高。因此，纯相的二氧化锰作为超级电容器材料还有很多的不足。石墨烯纳米带是在碳纳米管和石墨烯纳米片之后出现的一种新型材料，优秀的机械和电化学性能使得它可以成为电化学和一些电子设备中的很好的材料，比如锂离子电池，超级电容器等。目前，利用碳材料和导电聚合物来改性二氧化锰成为行内研究学者的研究热点之一。

[0004] Li等合成了多壁碳纳米管/聚苯胺/二氧化锰的复合材料，所得到的复合材料的电化 学 性 能 得 到 了 很 大 的 提 高 ( L i Q , L i u J , Z o u J ,etal.Synthesisandelectrochemicalperformanceofmulti-walledcarbonna notube/polyaniline/MnO2ternarycoaxialnanostructuresforsupercapacitors[J].Journalof PowerSources2011,196(1):565-572)。Jena等人通过将多壁碳纳米管功能化后和聚苯胺和二氧化锰复合，得到了复合材料，复合材料性能优秀(SkMM,YueCY,JenaRK.Non-covalentinteractionsandsupercapacitanceofpseudo-cap acitivecompositeelectrodematerials(MWCNTCOOH/MnO2/PANI)[J]
.SyntheticMetals2015,208:2-12.)。Wang等合成了磺化石墨烯/聚苯胺/二氧化锰复合材料，所得到的材料具有良好的倍率性能和稳定的循环性能(WangG,TangQ,BaoH,LiX,etal.Synthesisofhierarchicalsulfonatedgraphene/MnO2/po 
lyanilineternarycompositeanditsimprovedelectrochemicalperformance[J].JournalofPo werSources2013,241:231-238.)。所以，通过合成复合材料对于改善二氧化锰超级电容器材料有着显著的效果。

[0005] 发明目的

[0006] 针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种用于超级电容器的电极材料的制备方法，所述的这种用于超级电容器的电极材料的制备方法要解决现有技术中的二氧化锰电极材料较差的导电性以及在循环过程中电极容易发生电化学溶解导致其在实际应用中表现出来性能不高的技术问题。

[0007] 本发明提供了一种用于超级电容器的电极材料的制备方法，包括如下步骤：

[0008] 1)将氧化石墨烯纳米带超声分散于水中得到氧化石墨烯纳米带分散液，所述的氧化石墨烯纳米带在水中的质量分散浓度为0.1～10mg/mL；

[0009] 2)向步骤1)制得的氧化石墨烯带分散水溶液中加入第一批苯胺，所述的第一批苯胺与氧化石墨烯纳米带的质量比为0.1～20:1，搅拌5～30分钟，随后加入引发剂，所述的引发剂与氧化石墨烯纳米带的质量比为0.1～25:1在-10～5℃下，搅拌反应5～60分钟得到中间产物的混合分散液；

[0010] 3)称取二氧化锰纳米颗粒加入到步骤2)得到的中间产物的混合分散液中，所述的二氧化锰纳米颗粒和氧化石墨烯纳米带的质量比为0.1～15：1，然后超声分散5～60分钟，得到二氧化锰纳米颗粒/中间产物的混合分散液；

[0011] 4)向步骤3)中制得二氧化锰纳米颗粒/中间产物的混合分散液中继续加入第二批苯胺，所述的第二批苯胺与氧化石墨烯纳米带的质量比为0.1～20:1，在-10～5℃下，搅拌反应5～60分钟，过滤，并依次用乙醇、去离子水重复洗涤至pH值中性，将所得的物质在60～80℃干燥24～48小时，即得到石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺用于超级电容器的电极材料。

[0012] 进一步的，所述步骤2)中，所述的引发剂为过氧化氢、过硫酸钾、过硫酸钠、过硫酸铵、重铬酸钾、重铬酸钠、氯化铁、或者氯化锰中的任意一种或者两种以上的组合。

[0013] 进一步的，所述步骤3)中，所述的二氧化锰纳米颗粒为二氧化锰纳米线、二氧化锰纳米片、二氧化锰纳米棒、或者二氧化锰纳米球中的任意一种或者两种以上的组合。

[0014] 本发明采用简单的原位聚合方法，实现了石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺的有效复合，先将苯胺溶液首先加入到石墨烯纳米带的水分散液中，然后加入引发剂，原位聚合一定时间后，再依次加入一定量的二氧化锰纳米颗粒和苯胺溶液，进一步原位聚合得到石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺复合材料。本发明方法制备的石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺复合材料用作超电容电极材料时表现出优异的电容性能和循环寿命，可适用于水和有机溶液电解液体系。

[0015] 本发明的合成方法采用了水热结合原位聚合的方法，方法简单易行，能耗小并且环境友好，该超级电容器电极材料易于实现规模化制备，用于工业的生产。本发明提供的超级电容器电极材料具有较大的比表面积、同时具有网状结构、导电性良好。通过将金属氧化物与石墨烯及其衍生材料和导电聚合物复合，通过相互之间的协同作用，成功的改善了单纯二氧化锰导电性能差的缺点。将本发明的电极材料制作超级电容器极片，通过三电极体系在中性电解液中进行测试，其中，超级电容器极片的组成为：80份的合成的三元超级电容器活性材料，10份的导电剂，10份的粘结剂。通过测试表明，本发明的电极材料具有良好的性能，具有较高的比电容值，同时具有较好的倍率性能，而且具有很好的循环稳定性。

[0016] 本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明通过将新型材料石墨烯纳米带和聚苯胺与二氧化锰复合，通过水热结合原位聚合的方法得到了石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺用于超级电容器的电极材料。所得复合材料具有良好的循环性能和高比电容量，是一种理想的超级电容器电极材料，适合工业化生产。

附图说明

[0017] 图1为本发明实施例1制备的石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺三元超级电容器电极材料的SEM图。

[0018] 图2为本发明实施例1制备的石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺三元超级电容器电极材料的充放电曲线图。

[0019] 图3为本发明实施例1制备的石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺三元超级电容器电极材料的循环伏安图。

[0020] 图4为本发明实施例1制备的石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺三元超级电容器电极材料的循环稳定性能图。

具体实施方式

[0021] 实施例1

[0022] (1)将100mg氧化石墨烯纳米带超声分散于100ml水中得到1mg/mL的氧化石墨烯纳米带分散液；

[0023] (2)向步骤(1)制得的氧化石墨烯带分散水溶液，加入0.1g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为1:1)，搅拌15分钟，随后加入0.2g的过硫酸铵，(过硫酸铵与石墨烯纳米带的质量比为2:1)，在-5℃下，搅拌反应15分钟得到中间产物的混合分散液；

[0024] (3)称取0.6g的二氧化锰纳米棒(二氧化锰纳米棒与石墨烯纳米带的质量比为6:1)，加入到步骤(2)得到的中间产物的混合分散液中后超声分散10分钟得到二氧化锰纳米棒/中间产物的混合分散液；

[0025] (4)向步骤(3)中制得二氧化锰纳米棒/中间产物的混合分散液中继续加入0.1g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为1:1)，在-2℃下，搅拌反应50分钟，过滤，并依次用乙醇、去离子水重复洗涤至pH值中性，将所得的物质在70℃干燥24小时，即得到石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺用于超级电容器的电极材料。

[0026] 其中，图1为实例1的SEM图，图中可以看出实例1合成的用于超级电容器的电极材料呈现多孔网状结构，聚苯胺纳米颗粒成功负载在二氧化锰纳米棒和石墨烯纳米带上。图2为实例1合成的三元超级电容器电极材料在电流密度为1，2，5，10A/g的条件下的恒电流充放电图，可以看出在不同的电流密度下充放电曲线均能保持对称性，表明其良好的库仑效率。图3为实例1合成的三元超级电容器材料在扫速为5,10,20,50mv/s的条件下的循环伏安图，可以看出三元超电容器材料在不同扫速下均能保持类似矩形的形状，表明了其良好的电容性能。图4为实例合成的三元超级电容器材料在1A/g电流密度下的循环性能图，在进行1000次循环充放电以后，电容保持率约为85％，表明了其作为超级电容器材料良好的循环性能。

[0027] 实施例2

[0028] (1)将500mg氧化石墨烯纳米带超声分散于100ml水中得到5mg/mL的氧化石墨烯纳米带分散液；

[0029] (2)向步骤(1)制得的氧化石墨烯带分散水溶液，加入0.25g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为0.5:1)，搅拌20分钟，随后加入0.5g的氯化铁(氯化铁与石墨烯纳米带的质量比为1:1)，在-5℃下，搅拌反应20分钟得到中间产物的混合分散液；

[0030] (3)称取1g的二氧化锰纳米棒(二氧化锰纳米棒与石墨烯纳米带的质量比为2:1)，加入到步骤(2)得到的中间产物的混合分散液中后超声分散15分钟得到二氧化锰纳米棒/中间产物的混合分散液；

[0031] (4)向步骤(3)中制得二氧化锰纳米棒/中间产物的混合分散液中继续加入0.25g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为0.5:1)，在0℃下，搅拌反应40分钟，过滤，并依次用乙醇、去离子水重复洗涤至pH值中性，将所得的物质在75℃干燥30小时，即得到石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺用于超级电容器的电极材料。

[0032] 实施例3

[0033] (1)将200mg氧化石墨烯纳米带超声分散于100ml水中得到2mg/mL的氧化石墨烯纳米带分散液；

[0034] (2)向步骤(1)制得的氧化石墨烯带分散水溶液，加入0.4g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为2:1)，搅拌15分钟，随后加入0.6g的过硫酸钠(过硫酸钠与石墨烯纳米带的质量比为3:1)，在-5℃下，搅拌反应20分钟得到中间产物的混合分散液；

[0035] (3)称取0.8g的二氧化锰纳米片(二氧化锰纳米片与石墨烯纳米带的质量比为4:1)，加入到步骤(2)得到的中间产物的混合分散液中后超声分散30分钟得到二氧化锰纳米片/中间产物的混合分散液；

[0036] (4)向步骤(3)中制得二氧化锰纳米片/中间产物的混合分散液中继续加入0.4g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为2:1)，在-2℃下，搅拌反应30分钟，过滤，并依次用乙醇、去离子水重复洗涤至pH值中性，将所得的物质在70℃干燥30小时，即得到石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺用于超级电容器的电极材料。

[0037] 实施例4

[0038] (1)将300mg氧化石墨烯纳米带超声分散于100ml水中得到3mg/mL的氧化石墨烯纳米带分散液；

[0039] (2)向步骤(1)制得的氧化石墨烯带分散水溶液，加入0.9g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为3:1)，搅拌20分钟，随后加入1.2g的过氧化氢(过氧化氢与石墨烯纳米带的质量比为4:1)，在-2℃下，搅拌反应20分钟得到中间产物的混合分散液；

[0040] (3)称取0.15g的二氧化锰纳米片(二氧化锰纳米片与石墨烯纳米带的质量比为0.5:1)，加入到步骤(2)得到的中间产物的混合分散液中后超声分散20分钟得到二氧化锰纳米片/中间产物的混合分散液；

[0041] (4)向步骤(3)中制得二氧化锰纳米片/中间产物的混合分散液中继续加入0.9g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为3:1)，在-1℃下，搅拌反应60分钟，过滤，并依次用乙醇、去离子水重复洗涤至pH值中性，将所得的物质在80℃干燥36小时，即得到石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺用于超级电容器的电极材料。

[0042] 实施例5

[0043] (1)将600mg氧化石墨烯纳米带超声分散于100ml水中得到6mg/mL的氧化石墨烯纳米带分散液；

[0044] (2)向步骤(1)制得的氧化石墨烯带分散水溶液，加入2.4g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为4:1)，搅拌15分钟，随后加入1.2g的过硫酸铵(过硫酸铵与石墨烯纳米带的质量比为2:1)，在-5℃下，搅拌反应15分钟得到中间产物的混合分散液；

[0045] (3)称取1.8g的二氧化锰纳米线(二氧化锰纳米线与石墨烯纳米带的质量比为3:1)，加入到步骤(2)得到的中间产物的混合分散液中后超声分散10分钟得到二氧化锰纳米线/中间产物的混合分散液；

[0046] (4)向步骤(3)中制得二氧化锰纳米线/中间产物的混合分散液中继续加入2.4g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为4:1)，在-2℃下，搅拌反应40分钟，过滤，并依次用乙醇、去离子水重复洗涤至pH值中性，将所得的物质在70℃干燥28小时，即得到石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺用于超级电容器的电极材料。

[0047] 实施例6

[0048] (1)将800mg氧化石墨烯纳米带超声分散于100ml水中得到8mg/mL的氧化石墨烯纳米带分散液；

[0049] (2)向步骤(1)制得的氧化石墨烯带分散水溶液，加入0.4g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为0.5:1)，搅拌30分钟，随后加入1.6g的过氧化氢(过氧化氢与石墨烯纳米带的质量比为2:1)，在-5℃下，搅拌反应30分钟得到中间产物的混合分散液；

[0050] (3)称取1.6g的二氧化锰纳米球(二氧化锰纳米球与石墨烯纳米带的质量比为2:1)，加入到步骤(2)得到的中间产物的混合分散液中后超声分散15分钟得到二氧化锰纳米球/中间产物的混合分散液；

[0051] (4)向步骤(3)中制得二氧化锰纳米球/中间产物的混合分散液中继续加入0.4g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为0.5:1)，在-2℃下，搅拌反应60分钟，过滤，并依次用乙醇、去离子水重复洗涤至pH值中性，将所得的物质在80℃干燥48小时，即得到石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺用于超级电容器的电极材料。

[0052] 实施例7

[0053] (1)将200mg氧化石墨烯纳米带超声分散于100ml水中得到2mg/mL氧化石墨烯纳米带分散液；

[0054] (2)向步骤(1)制得的氧化石墨烯带分散水溶液，加入1g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为5:1)，搅拌15分钟，随后加入0.8g的过硫酸铵(过硫酸铵与石墨烯纳米带的质量比为4:1)，在-5℃下，搅拌反应30分钟得到中间产物的混合分散液；

[0055] (3)称取0.2g的二氧化锰纳米线(二氧化锰纳米线与石墨烯纳米带的质量比为1:1)，加入到步骤(2)得到的中间产物的混合分散液中后超声分散15分钟得到二氧化锰纳米线/中间产物的混合分散液；

[0056] (4)向步骤(3)中制得二氧化锰纳米线/中间产物的混合分散液中继续加入1g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为5:1)，在-2℃下，搅拌反应40分钟，过滤，并依次用乙醇、去离子水重复洗涤至pH值中性，将所得的物质在70℃干燥32小时，即得到石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺用于超级电容器的电极材料。

[0057] 实施例8

[0058] (1)将50mg氧化石墨烯纳米带超声分散于100ml水中得到0.5mg/mL的氧化石墨烯纳米带分散液；

[0059] (2)向步骤(1)制得的氧化石墨烯带分散水溶液，加入0.3g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为6:1)，搅拌15分钟，随后加入0.4g的氯化锰(氯化锰与石墨烯纳米带的质量比为8:1)，在-5℃下，搅拌反应20分钟得到中间产物的混合分散液；

[0060] (3)称取0.4g的二氧化锰纳米片(二氧化锰纳米片与石墨烯纳米带的质量比为8:1)，加入到步骤(2)得到的中间产物的混合分散液中后超声分散20分钟得到二氧化锰纳米片/中间产物的混合分散液；

[0061] (4)向步骤(3)中制得二氧化锰纳米片/中间产物的混合分散液中继续加入0.3g的苯胺(苯胺与石墨烯纳米带的质量比为6:1)，在-2℃下，搅拌反应30分钟，过滤，并依次用乙醇、去离子水重复洗涤至pH值中性，将所得的物质在70℃干燥24小时，即得到石墨烯纳米带/二氧化锰/聚苯胺用于超级电容器的电极材料。