[發明專利]全過渡金屬氮化物集流體/電極超級電容器及其制備方法

有效

• 申請號: 201910056548.0
• 申請日: 2019-01-22
• 公開（公告）號: CN109712820B
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: 周大雨;孫納納;楊旭;馬曉倩
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01G11/30
• 分類號: H01G11/30;H01G11/68;H01G11/26;H01G11/84;H01G11/86
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種全過渡金屬氮化物集流體/電極超級電容器，其特征在于，所述的超級電容器結構為三明治結構、平面叉指結構或3D納米結構，超級電容器的正、負兩端可以采用對稱式也可以采用非對稱式結構；所述的對稱式結構為電容器正、負兩端均采用全過渡金屬氮化物MN集流體/電極材料；非對稱式結構為電容器正、負兩端采用不同的材料，其中一端采用過渡金屬氮化物集流體/電極材料，另一端采用常用的超級電容器電極和集流體材料；所述MN中的M為Ti、V、Ta、Mo或其他過渡金屬中的一種或幾種；所述的常用的超級電容器電極材料為碳材料、硅基材料、金屬氧化物材料或導電聚合物；常用的集流體為金、銅、鈦、鉑或泡沫鎳；

所述的全過渡金屬氮化物集流體/電極超級電容器的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：清洗襯底，除去表面的有機物、金屬顆粒和其他雜質；所述的襯底采用Si、Ge、三五族半導體材料中的一種、玻璃或聚合物柔性基底；

步驟二：采用薄膜沉積工藝在襯底表面沉積全過渡金屬氮化物MN集流體/電極材料：

采用物理氣相沉積法在步驟一清洗后的襯底上沉積一層表面平滑、致密度高、電阻率低的MN薄膜作為集流體材料；再通過調整沉積工藝參數，改變薄膜表面原子擴散和形核生長機制，在集流體材料上繼續生長一層表面粗糙、多孔、電阻率高的MN薄膜作為電極材料，在襯底表面沉積全MN集流體/電極材料；

所述的作為集流體材料的MN薄膜厚度為10～5000nm，電阻率＜500μΩ·cm；所述的作為電極材料的MN薄膜厚度為10～5000nm，電阻率＞1000μΩ·cm；

沉積集流體材料的工藝參數為：靶基距為10～100mm；Ar:N₂＝(10-60):(1-10)sccm；濺射功率：100-400W；基底溫度為室溫～400℃；工作氣壓為0.2～1.5Pa；基底偏壓為-50～-400V；濺射時間：1-500min；

沉積電極材料的工藝參數為：靶基距為10～100mm；Ar:N₂＝(10-60):(1-10)sccm；濺射功率：100-400W；基底溫度為室溫～400℃；工作氣壓為0.4～1.5Pa；濺射時間：1-500min；

步驟三：制備超級電容器：

將步驟二制備得到的全MN集流體/電極材料作為超級電容器正極、負極或正負極，并添加電解質材料，制備對稱式或非對稱式的超級電容器；所述的超級電容器結構為三明治結構、平面叉指結構或3D納米結構。

2.根據權利要求1所述的一種全過渡金屬氮化物集流體/電極超級電容器的制備方法，其特征在于，所述步驟二還可以采用化學氣相沉積CVD或原子層沉積ALD法，在清洗后的襯底表面沉積全MN集流體/電極材料。

3.根據權利要求1或2所述的一種全過渡金屬氮化物集流體/電極超級電容器的制備方法，其特征在于，所述的全MN集流體/電極材料中除了存在M和N元素外，還含有O、Cl；所述電阻率低的MN薄膜M和N的原子百分數占薄膜總原子數的比例大于80％；所述電阻率高的MN薄膜M和N的原子百分比占薄膜總原子數的比例大于50％。

4.根據權利要求1或2所述的一種全過渡金屬氮化物集流體/電極超級電容器的制備方法，其特征在于，所述的物理氣相沉積法包括真空蒸鍍、濺射鍍膜、電弧等離子體鍍。

5.根據權利要求3所述的一種全過渡金屬氮化物集流體/電極超級電容器的制備方法，其特征在于，所述的物理氣相沉積法包括真空蒸鍍、濺射鍍膜、電弧等離子體鍍。

6.根據權利要求1或2或5所述的一種全過渡金屬氮化物集流體/電極超級電容器的制備方法，其特征在于，所述三五族半導體為砷化鎵；所述柔性基底為聚對苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亞胺PI。

7.根據權利要求3所述的一種全過渡金屬氮化物集流體/電極超級電容器的制備方法，其特征在于，所述三五族半導體為砷化鎵；所述柔性基底為聚對苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亞胺PI。

8.根據權利要求4所述的一種全過渡金屬氮化物集流體/電極超級電容器的制備方法，其特征在于，所述三五族半導體為砷化鎵；所述柔性基底為聚對苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亞胺PI。