[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

一種全過渡金屬氮化物集流體/電極超級電容器及其制備方法，屬于新能源材料與器件技術領域。首先，清洗去除襯底材料表面的雜質；然后在襯底表面先沉積一層具有高致密度、高導電性的過渡金屬氮化物薄膜作為電子輸運集流體材料，再通過調控沉積工藝參數在集流體上直接繼續生長一層疏松多孔、低導電性的過渡金屬氮化物薄膜作為電極材料。本發明集流體和電極同為過渡金屬氮化物連續生長，通過簡單地改變薄膜沉積工藝參數對材料的性能進行剪裁，工藝簡便易行、成本低，薄膜沉積技術選擇種類多、工藝適用性強，解決了異類集流體和電極材料間附著力差、晶格失配和熱膨脹系數差異導致分層開裂以及接觸電阻大的問題，將極大提高超級電容器的功率密度、熱穩定性和長期服役可靠性。

技術領域

本發明屬于新能源材料與器件技術領域，涉及一種全過渡金屬氮化物集流體/電極超級電容器及其制備方法。

背景技術

超級電容器具有能量和功率密度高、充放電循環壽命長、工作溫度范圍寬、免維修和環保無污染等顯著優點，作為新型的綠色電能存儲方式得到人們的廣泛關注。近年來，無線物聯網中的各種傳感器系統、以及可穿戴式和植入式醫學器件的研究和普及應用迅猛發展，這些低功耗電子設備對超級電容器的研發提出了微型輕量化、薄膜化以及與其他電子元器件全單片集成化的迫切需求。超級電容器主要由電極材料、集流體和電解質組成，其中，電極材料和集流體是決定其電化學性能優劣的重要因素。目前，用于超級電容器的電極材料主要有碳基材料、硅基材料、金屬氧化物和導電聚合物等。這些材料一般采用直接沉積或與導電劑、粘結劑等混合后涂覆到金、銅或泡沫鎳等金屬集流體上。電極材料的功能是利用雙電層或者贗電容效應實現電荷的存儲和釋放，而集流體的功能是輸運電子以及連接充放電電路。由于電極與集流體為不同種類的材料，異類材料間附著力差，同時晶格失配和熱膨脹系數差異會導致分層開裂以及大的接觸電阻，這些問題嚴重限制了超級電容器的倍率特性、頻率響應和功率密度等性能的提升。過渡金屬氮化物薄膜具有熔點高、硬度大、耐磨損，抗氧化、耐腐蝕等優秀的理化性質，特別是其導電性能具有極寬的分布調控范圍。以TiN為例，通過改變沉積工藝參數調控薄膜的成分化學計量比和微觀組織結構，可以實現電阻率從幾十到幾千μΩ.cm薄膜的可控制備。在當前的微電子工業中，高導電性的TiN和TaN薄膜是最為普遍應用的晶體管柵電極和DRAM存儲電容器電極材料。近年來，法國學者報道了多孔結構的高電阻率(ρ>1000μΩ.cm)TiN和VN薄膜具有與碳基、石墨烯基、和過渡金屬氧化物電極材料相媲美的高比電容值，但在所制備的超級電容器中上述薄膜既作為電極材料又同時作為集流體，由于薄膜具有較高的電阻率，同樣導致了頻率響應(倍率)特性較差的問題。

基于過渡金屬氮化物薄膜的導電性能靈活可控的獨特性質，本發明提出一種全新的超級電容器及其制備新技術：首先在襯底上沉積高導電性(ρ<500μΩ.cm)過渡金屬氮化物薄膜作為電子輸運集流體，隨后通過簡單調整沉積工藝參數在集流體上直接繼續生長多孔結構、高電阻率(ρ>1000μΩ.cm)過渡金屬氮化物薄膜作為電極材料。本技術發明具有以下優點：集流體和電極同為過渡金屬氮化物連續生長，通過簡單地改變薄膜沉積工藝參數對材料的性能進行剪裁，工藝簡便易行、成本低，薄膜沉積技術選擇種類多、工藝適用性強，解決了異類集流體和電極材料間附著力差、晶格失配和熱膨脹系數差異導致分層開裂以及接觸電阻大的問題，將極大提高超級電容器的功率密度、熱穩定性和長期服役可靠性。

發明內容

本發明的目的在于為超級電容器提供一種全過渡金屬氮化物集流體/電極材料超級電容器及其制備新技術，集流體和電極同為過渡金屬氮化物連續生長，通過簡單地改變薄膜沉積工藝參數對材料的性能進行剪裁。該技術工藝簡便易行、成本低，薄膜沉積技術選擇種類多、工藝適用性強，為提升超級電容器的能量密度、功率密度和可靠性等綜合性能指標提供了現實可行的全新解決方案。

為了達到上述目的，本發明的技術方案為：