本發(fā)明屬于電容器材料，涉及一種有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4電極材料的制備方法及其在水系鋁離子電容器中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、目前的主要清潔能源來(lái)自于太陽(yáng)能、潮汐能及風(fēng)能等，當(dāng)前以鋰、鋅等金屬氧化物為正極材料的電池逐漸占據(jù)了電子產(chǎn)品的市場(chǎng)。然而，鋰資源的稀缺嚴(yán)重阻礙了其在未來(lái)的持續(xù)大規(guī)模應(yīng)用，鋅金屬在堿性電解質(zhì)中有限的可逆性限制了鋅基材料二次能量存儲(chǔ)設(shè)備的發(fā)展，因此，隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，探索具有超高倍率、高容量和長(zhǎng)壽命的儲(chǔ)能材料仍然具有挑戰(zhàn)性。

2、超級(jí)電容器具有低成本和不易燃水基電解質(zhì)，安全性高，并且不嚴(yán)重依賴復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，這成為儲(chǔ)能技術(shù)的重要研究方向，由于鋁離子的電荷密度很高，意味著其能實(shí)現(xiàn)超高的電極容量，鋁金屬的理論容量高(2981mah/g、8046mah/cm3)，可以實(shí)現(xiàn)正極和負(fù)極材料之間的可逆三電子反應(yīng)、電極電位適中并且由于鋁資源儲(chǔ)量豐富、成本低，這些優(yōu)勢(shì)使得鋁離子電容器被認(rèn)為是鋰離子電池的潛在替代品。水作為溶劑具有較高的離子電導(dǎo)率、安全性以及對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。所使用的電解質(zhì)為水系電解質(zhì)同時(shí)為減少副反應(yīng)，解決方法是使用高濃度鹽或電解質(zhì)添加劑，在水系電解質(zhì)中三氟甲磺酸鋁(al(otf)3)已被提議作為alcl3的非腐蝕性替代物，注意到al(otf)3鹽中兩親的otf-能夠促進(jìn)鋁離子的可逆沉積/剝離，同時(shí)電解質(zhì)抑制劑的添加能夠減少正極材料的溶解，因此可充電鋁離子電容器可成為未來(lái)研究的新方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4電極材料的制備方法及其在水系鋁離子電容器中的應(yīng)用，所提供的水系鋁離子電容器比電容得以顯著改善。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4電極材料，制備方法包括如下步驟：

3、1)基于改進(jìn)方法得到錳酸鹽懸浮液：在錳酸鹽中加入去離子水，然后超聲處理使其均勻分散，在鼓泡和攪拌下，調(diào)節(jié)溶液的ph值達(dá)到堿性，在暴露于空氣中一段時(shí)間后得到mn3o4，洗滌、離心數(shù)次直到溶液變?yōu)橹行詠?lái)收獲沉淀物，真空干燥后，得到mn3o4；

4、2)將合成好的mn3o4懸浮在去離子水中同時(shí)加入有機(jī)高分子化合物pvp并旋轉(zhuǎn)攪拌，洗滌、離心數(shù)次直到溶液變?yōu)橹行詠?lái)收獲沉淀物，真空干燥，得到p-mn3o4復(fù)合材料。

5、上述的一種有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4電極材料，步驟1)中，所述的錳酸鹽是mnso4·h2o。

6、上述的一種有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4電極材料，步驟1)中，所述的調(diào)節(jié)溶液的ph值至堿性是使用koh水溶液滴加到上述溶液中，直到溶液的ph值達(dá)到12。

7、上述的一種有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4電極材料，步驟2)中，所述的有機(jī)高分子化合物pvp為聚乙烯吡咯烷酮。

8、上述的一種有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4電極材料，按質(zhì)量比錳酸鹽：聚乙烯吡咯烷酮＝1:0.1～0.5。

9、上述的一種有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4電極材料，步驟2)中，pvp的分子量分別為10000、24000和58000。

10、上述的有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4作為正極材料在水系鋁離子電容器中的應(yīng)用。

11、上述的應(yīng)用，方法如下：

12、1)正極的制備：將p-mn3o4與導(dǎo)電材料和粘結(jié)劑混合均勻，滴加少量nmp作為溶劑，混合均勻后，直接涂抹于襯底碳紙上，真空干燥箱烘干，取出，得涂覆有p-mn3o4的正極極片；

13、2)負(fù)極的制備：將活性炭與導(dǎo)電材料和粘結(jié)劑混合均勻后，滴加少量nmp作為溶劑，混合均勻后，直接涂抹于襯底碳紙上，真空干燥箱烘干，取出，得涂覆有活性炭的負(fù)極極片；

14、3)水系鋁離子電容器的制備：將正極極片放入正極殼中，使涂覆有p-mn3o4的一面接觸隔膜，然后放入隔膜，再滴入電解液，然后在隔膜上方放入負(fù)極極片，使涂覆有活性炭的一面接觸隔膜，之后依次放入墊片、彈片，最后將負(fù)極殼扣上，封裝，得水系鋁離子電容器。

15、上述的一種基于p-mn3o4的水系鋁離子電容器，所述粘結(jié)劑是pvdf或cmc,所述導(dǎo)電材料是super?p或乙炔黑,所述隔膜是纖維素隔膜、聚丙烯膜、隔膜紙和高分子半透膜中的一種。

16、上述的應(yīng)用，方法如下：

17、1)正極的制備：將p-mn3o4與導(dǎo)電材料和粘結(jié)劑混合均勻，滴加少量nmp作為溶劑，混合均勻后，直接涂抹于襯底碳紙上，真空干燥箱烘干，取出，得涂覆有p-mn3o4的正極極片；

18、2)負(fù)極的制備：將活性炭與導(dǎo)電材料和粘結(jié)劑混合均勻后，滴加少量nmp作為溶劑，混合均勻后，直接涂抹于襯底碳紙上，真空干燥箱烘干，取出，得涂覆有活性炭的負(fù)極極片；

19、3)以步驟1)制備的正極片為正極，以步驟2)制備的負(fù)極片為負(fù)極，電解液為2mol/l的三氟甲烷磺酸鋁和0.2mol/l雙氟甲烷磺酸錳的混合電解液，得到水系鋁離子電容器。

20、本發(fā)明的有益效果是：

21、1、本發(fā)明，設(shè)計(jì)了一種新穎的水系鋁離子非對(duì)稱(chēng)電容器，以錳氧化物和活性炭分別作為正負(fù)極材料。具有如下優(yōu)點(diǎn)：第一，顯著提高了mn3o4電極材料的導(dǎo)電性、離子擴(kuò)散速率，al3+可以與氧原子結(jié)合形成穩(wěn)定的al-o化學(xué)鍵。第二，增加了活性中心，改善了al3+的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)，緩解了al3+嵌入-脫嵌過(guò)程引起的結(jié)構(gòu)坍塌，從而提高了鋁離子的儲(chǔ)存性能。第三，有機(jī)高分子pvp的引入擴(kuò)大了層間距，從而改善了材料在充放電過(guò)程中的比容量和倍率性能。

22、2、本發(fā)明，錳氧化物p-mn3o4在pvp摻雜后，放電時(shí)間增加了848.9秒，比電容高達(dá)482.84f/g,，比原始mn3o4增大了大約1.9倍。

23、3、本發(fā)明，選取的材料具有很好的贗電容行為，并且制備方法簡(jiǎn)單，材料價(jià)廉、易得，對(duì)環(huán)境的污染性小，具有高的理論比電容值。

24、4、合成工藝和組裝工藝簡(jiǎn)單，易于操作控制，適用于連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)、豐富了鋁離子電容器正極材料，有望應(yīng)用在未來(lái)的儲(chǔ)能材料和器件上。

技術(shù)特征：

1.一種有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4電極材料，其特征在于，制備方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4電極材料，其特征在于，步驟1)中，所述的錳酸鹽是mnso4·h2o。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4電極材料，其特征在于，步驟1)中，所述的調(diào)節(jié)溶液的ph值至堿性是使用koh水溶液滴加到上述溶液中，直到溶液的ph值達(dá)到12。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4電極材料，其特征在于，步驟2)中，所述的有機(jī)高分子化合物pvp為聚乙烯吡咯烷酮。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4電極材料，其特征在于，按質(zhì)量比錳酸鹽：聚乙烯吡咯烷酮＝1:0.1～0.5。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4電極材料，其特征在于，步驟2)中，pvp的分子量分別為10000、24000和58000。

7.權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的有機(jī)高分子化合物pvp摻雜mn3o4作為正極材料在水系鋁離子電容器中的應(yīng)用。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于，方法如下：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于p-mn3o4的水系鋁離子電容器，其特征在于，所述粘結(jié)劑是pvdf或cmc，所述導(dǎo)電材料是super?p或乙炔黑，所述隔膜是纖維素隔膜、聚丙烯膜、隔膜紙和高分子半透膜中的一種。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于，方法如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種有機(jī)高分子化合物PVP摻雜Mn<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;電極材料的制備方法及其在水系鋁離子電容器中的應(yīng)用，該材料首先通過(guò)簡(jiǎn)單的沉淀法制備了Mn<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;，進(jìn)一步反應(yīng)將有機(jī)高分子化合物PVP插入在電極材料內(nèi)，通過(guò)在Mn<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;中插入PVP擴(kuò)大了其層間距有效的促進(jìn)了離子擴(kuò)散和電荷轉(zhuǎn)移，提高了Mn<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;的導(dǎo)電性，降低其內(nèi)阻，并且保持了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而提升水系鋁離子電容器的整體性能。

技術(shù)研發(fā)人員：尹博思,王志彪,張思文
受保護(hù)的技術(shù)使用者：遼寧大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/7