[發明專利]一種高比容量納米電介質電容器及其制備方法

有效

• 申請號: 201610640912.4
• 申請日: 2016-08-05
• 公開（公告）號: CN106252071B
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發明（設計）人: 宋曄;邢季;范昊雯;廖茂穎;張偉康;朱緒飛
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01G4/06
• 分類號: H01G4/06;H01G4/08;H01G4/10;C25D11/26;B82Y40/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心32203
• 代理人: 鄒偉紅,朱顯國

技術領域

本發明屬于電化學儲能器件領域，涉及一種新型高比容量納米電介質電容器的制備方法，具體涉及鋁/氧化鋁/導電高分子型納米結構電介質電容器的制備。

背景技術

與電化學電容器相比，傳統電介質電容器利用電介質材料的極化機制儲存電能，具有極高的功率密度。從本質上說，電介質電容器儲存電能是一個純物理過程，其充放電循環壽命理論上是無窮的。功率密度極高(比電化學電容器高2個數量級)和充放電循環壽命極長是這種電容器最顯著的兩個優點。而且，與許多電化學電容器電極材料不同，電介質材料所估算的能量密度值更接近器件的實測值，其電容量一般與體積或質量成正比，更適合大型儲能設備的需要。所以，若能將電介質電容器的能量密度提高到電化學電容器的水平，則其實際應用價值更大。由于一般線性電介質的能量密度與介電常數和擊穿場強的平方成正比，因此要提高電介質電容器的能量密度，主要途徑在于開發高介電常數和高擊穿場強的電介質材料。但同時具有高介電常數和高擊穿場強性能的電介質材料并不多，這方面的研究進展有限。

目前國際上流行的作法是：通過納米技術，在一定平面面積上增加電介質的實際表面積來增大其電容量，以增加單位平面面積上所儲存的能量。這是在現有電介質材料的介電常數和擊穿場強難有大幅提升的情形下，提高電容器能量密度的有效方法。例如，Banerjee等利用多孔陽極氧化鋁（PAA）的規則排列的納米孔洞陣列，在其上采用原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)技術，形成金屬/電介質/金屬(TiN/Al₂O₃/TiN)結構的電容器陣列（Banerjee P, et al. Nat. Nanotechnol. 2009, 4:292.）。由于PAA納米孔洞的表面積極大地增加了電介質的有效面積，因此得到了高比容量的納米電容器陣列，對于10 μm厚的多孔氧化鋁膜，比容量可高達100 μF/cm²，大大超過以往所報道的納米結構電介質電容器的值。另外，這種電容器陣列的功率密度高達10⁶ W/kg，而能量密度約為0.7 Wh/kg，已接近電化學電容器的水平。需要指出的是，電介質電容器不僅需要制備出納米結構的電極，同時需要制備出相同納米結構的電介質層及對電極（即保形性），制備工藝難度很大。因此，這里用到的ALD技術，就是為了解決納米結構的保形性問題。但這種ALD技術雖然能實現納米結構的保形性，但需要復雜昂貴的設備，成本很高，不適合工業化生產。另外ALD工藝不僅涉及復雜的表面化學過程，而且沉積速度極低，只適用于幾納米至幾十納米之內的薄膜制備，很難實現幾百納米以上薄膜的沉積。例如，Banerjee等制備的納米電容器其電介質層只有約7nm，導致擊穿電壓很低只有4.2V。所以電容器的工作電壓很低，直接影響其能量密度的提高。因此，如何尋求更加簡單實用的方法來制備納米結構電極以及實現其保形性，成為迫切需要解決的難點問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種利用簡單的納米模板技術制備高比容量納米結構電介質電容器的方法，使其能夠實現電極納米結構的保形性，滿足工業化生產的要求。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種高比容量納米電介質電容器，所述電容器包括鋁片、鋁質納米圓柱陣列、氧化鋁電介質膜、導電高分子薄膜，所述的鋁質納米圓柱陣列設置在鋁片上，所述的氧化鋁電介質膜設置在所述的鋁質納米圓柱陣列上，所述的導電高分子薄膜設置在所述的氧化鋁電介質膜上。

進一步的，所述的導電高分子薄膜為PEDOT導電高分子薄膜。

一種高比容量納米電介質電容器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：將鋁片采用真空熔融熱壓法壓注于PAA模板上；

步驟2：去除PAA模板，在鋁片表面得到鋁質納米圓柱陣列結構；

步驟3：通過陽極氧化法在鋁質納米圓柱陣列上形成氧化鋁電介質膜；

步驟4：將涂覆有氧化劑的氧化鋁電介質膜放置在氣相聚合裝置中，然后在3,4-乙撐二氧噻吩（EDOT）氣氛下進行氣相聚合30 min以上，在氧化鋁電介質膜表面得到PEDOT導電高分子薄膜，即得到所述的導體/電介質/導體結構的納米電介質電容器。

進一步的，步驟1中，所述的真空熔融熱壓注法是指將PAA模板、鋁片依次放入加壓裝置中，先將裝置抽真空到500±10 Pa，升溫至350±10℃，保溫5-7 min然后施加40-80 MPa的壓力，經10-30 min后升溫至655±5℃，維持15-18 min，整個過程氬氣保護，真空度保持500±10 Pa。