[發(fā)明專利]SiC納米孔陣列在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810720469.0
• 申請(qǐng)日: 2018-07-03
• 公開（公告）號(hào): CN109103025A
• 公開（公告）日: 2018-12-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳善亮;李維俊;劉喬;楊為佑
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 寧波工程學(xué)院
• 主分類號(hào): H01G11/22
• 分類號(hào): H01G11/22;H01G11/24;H01G11/30
• 代理公司: 寧波市鄞州盛飛專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33243
• 代理人: 洪珊珊

本發(fā)明涉及SiC納米孔陣列在超級(jí)電容器中的應(yīng)用，屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域。所述的超級(jí)電容器的電極由SiC納米孔陣列一體化制成。所述的SiC納米孔陣列的相成分為4H?SiC，所述的SiC納米孔陣列的納米孔為豎直孔道結(jié)構(gòu)，孔直徑為5?40nm，孔長(zhǎng)為8?20μm。本發(fā)明中SiC納米孔陣列電極材料具有大比表面積、較好導(dǎo)電性以及化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在較寬的溫度條件下都具有較高的循環(huán)穩(wěn)定性，因此，將SiC納米孔陣列一體化制成電極用于超級(jí)電容器中可在保證超級(jí)電容器高比電容的同時(shí)提高其在寬溫條件下的循環(huán)溫度性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及SiC納米孔陣列在超級(jí)電容器中的應(yīng)用，屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加速了能源的消耗，由此帶來的化石能源枯竭和環(huán)境污染問題，已經(jīng)成為目前人類面臨的嚴(yán)峻問題。為保證人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，可再生的清潔能源(如太陽(yáng)能，風(fēng)能，潮汐能等)越來越受到關(guān)注。然而，自然條件以及地理因素對(duì)這些能源的持續(xù)供應(yīng)影響很大。因此，開發(fā)高性能的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)設(shè)備受到了人們的高度重視，目前已經(jīng)投入了大量的資源研究廉價(jià)、高性能、安全、可靠的能源存儲(chǔ)設(shè)備。在這些設(shè)備中，超級(jí)電容器被認(rèn)為是一種理想的具有快速充放電特性的環(huán)保器件。

碳化硅(SiC)是一種重要的第三代寬禁帶半導(dǎo)體,具有系列優(yōu)良的特性,包括高電子遷移率、高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、優(yōu)異的機(jī)械性能,優(yōu)良的耐輻射性能，使SiC材料廣泛應(yīng)用于高溫高壓等惡劣服役條件下的電子器件中。在超級(jí)電容器中，由SiC材料制備的超級(jí)電容器電極已經(jīng)展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。Alper等報(bào)道的SiC復(fù)合Si納米線電極，比電容達(dá)為1.7mF cm^-2，可穩(wěn)定循環(huán)充放電上千次。Chen等人報(bào)道N摻雜SiC納米陣列作為超級(jí)電容器電極，其比電容為4.7mF cm^-2，并且可以在高達(dá)30V s^-1的超高速率下運(yùn)行。這些研究結(jié)果表明，SiC納米材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，在超級(jí)電容器電極材料應(yīng)用方面展現(xiàn)出巨大的潛力。

然而，目前關(guān)于SiC超級(jí)電容器電極的測(cè)試研究只局限在常溫(25℃左右)條件下進(jìn)行。而在實(shí)際應(yīng)用中，由于使用環(huán)境溫度復(fù)雜多變，如季節(jié)變化引起的冷熱交替，設(shè)備啟停后溫度的變化等，都會(huì)引起電容器工作環(huán)境溫度劇烈變化。這些不利因素都會(huì)導(dǎo)致電容器性能的急劇下降，縮短器件使用壽命。因此，開發(fā)具有寬溫適用性的高性能超級(jí)電容器電極材料，以成為目前亟待解決的科學(xué)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種在寬溫條件下具有較好循環(huán)穩(wěn)定性的SiC納米孔陣列電極，可以有效地應(yīng)用在超級(jí)電容器中。

本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：SiC納米孔陣列在超級(jí)電容器中的應(yīng)用，超級(jí)電容器的電極由SiC納米孔陣列一體化制成。

本發(fā)明將具有大比表面積、較好導(dǎo)電性以及化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的SiC納米孔陣列采用一體化設(shè)計(jì)成電極，即集流體和活性物體一體化設(shè)計(jì)，使活性物質(zhì)與集流體熱膨脹系數(shù)匹配，不易脫落，同時(shí)由于SiC納米孔陣列電極材料在較寬的溫度條件下都具有較高的循環(huán)穩(wěn)定性，因此將SiC納米孔陣列一體化制成電極用于超級(jí)電容器可在保證超級(jí)電容器具有較高比電容的同時(shí)提高其在寬溫條件下的循環(huán)溫度性。

作為優(yōu)選，所述的SiC納米孔陣列的相成分為4H-SiC。進(jìn)一步優(yōu)選，所述的SiC納米孔陣列為N摻雜SiC納米孔陣列，N的摻雜量為8-10at.％。N的摻雜量在8-10at.％下能進(jìn)一步保證晶片的導(dǎo)電性。

作為優(yōu)選，所述的SiC納米孔陣列的納米孔為豎直孔道結(jié)構(gòu)。豎直孔道結(jié)構(gòu)的SiC納米孔陣列能縮短電解質(zhì)離子輸運(yùn)路徑。

作為優(yōu)選，所述的SiC納米孔陣列的孔直徑為5-40nm，孔長(zhǎng)為8-20μm。孔徑太小會(huì)使倍率性能急劇下降，而孔徑太大則會(huì)降低比表面積，會(huì)影響電化學(xué)性能。