[發(fā)明專利]一種超級(jí)電容器用電極及其制備方法和應(yīng)用

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911221711.0
• 申請(qǐng)日: 2019-12-03
• 公開（公告）號(hào): CN110957143A
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓曉剛;白宇鴿;吳曉東;尹玉婷;楊超;李曼妮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G11/26
• 分類號(hào): H01G11/26;H01G11/32;H01G11/86
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 高博

本發(fā)明公開了一種超級(jí)電容器用電極及其制備方法和應(yīng)用，基于介電材料極化增強(qiáng)超容炭等活性材料的表面電荷密度，提升比電容；介電材料的介電常數(shù)越大，提升比電容的效果越好；通過沉積層物理阻隔了電解液和電極極片的直接接觸，增寬了電壓窗口；沉積層加速了滲流作用，有利于倍率性能的提升。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超級(jí)電容器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超級(jí)電容器用電極及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的新型電能存儲(chǔ)裝置，相比于鋰離子電池，超級(jí)電容器具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電時(shí)間短、環(huán)境友好和工作溫度范圍寬等突出優(yōu)勢(shì)，在未來的儲(chǔ)能領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。然而，其能量密度與二次電池相比較低，難以滿足大型動(dòng)力設(shè)備或電動(dòng)汽車等對(duì)功率和能量密度均有較高要求的迫切需求。因此，在不犧牲超級(jí)電容器功率密度和循環(huán)壽命的前提下追求高能量密度至關(guān)重要。由式可知，通過提升材料的比電容(C)，或增大器件的電壓窗口(V)，均可提升超級(jí)電容器的能量密度。

原子層沉積(ALD)是一種能夠按照原子層厚度在材料表面進(jìn)行逐層沉積的薄膜生長(zhǎng)的技術(shù)。由于其可在原子尺度上控制薄膜生長(zhǎng)，同時(shí)具有良好的保形性、均勻性等特點(diǎn)，已成為半導(dǎo)體微電子行業(yè)中非常重要的一種新型的表面技術(shù)，如MEMS中DRAM器件中的電容和磁頭上低漏電電介質(zhì)等的制造。此外，在太陽(yáng)能電池、催化劑、表面纖維修飾和新能源存儲(chǔ)器件方面都有應(yīng)用。原子層沉積的原理是使用氣相的反應(yīng)物，通過控制氣路系統(tǒng)，輪流通入氣相反應(yīng)物(即前驅(qū)體)到反應(yīng)室，在基底表面交替發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)逐層組裝沉積，并由反應(yīng)進(jìn)行的周期數(shù)控制沉積層數(shù)。一個(gè)生長(zhǎng)周期通常包括一下步驟：(i)第一前驅(qū)體的供應(yīng)和沉積反應(yīng)，(ii)剩余的第一前驅(qū)體及其氣相副產(chǎn)物的去除，(iii)第二前驅(qū)體的供應(yīng)和沉積反應(yīng)，(iv)剩余的第二前驅(qū)體及其副產(chǎn)物的去除。原子層沉積相對(duì)于傳統(tǒng)的氣相沉積技術(shù)而言，在膜層的均勻性、保形性、階梯覆蓋率以及厚度控制等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。而這些優(yōu)勢(shì)均源于原子層沉積技術(shù)的表面反應(yīng)耦合性與自限制性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種超級(jí)電容器用電極及其制備方法和應(yīng)用，利用原子層沉積技術(shù)將金屬氧化物等介電材料以納米級(jí)的厚度沉積在超級(jí)電容器電極活性材料或電極片表面，結(jié)合傳統(tǒng)電容器介電材料極化電荷和超級(jí)電容器多孔碳材料吸附電荷的方法，有效地提升材料的比電容，增寬器件的電壓窗口。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種超級(jí)電容器用電極，在電極的電極活性材料表面或電極表面沉積介電材料形成一層薄膜，電極活性材料與介電材料薄膜的厚度比為(15000～18000)：1。

具體的，介電材料為Al₂O₃，HfO₂，TiO₂和ZrO₂中的一種或多種的組合，電極中的導(dǎo)電劑為石墨烯，Super P，科琴黑或碳納米管。

本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是，一種超級(jí)電容器用電極的制備方法，包括以下步驟：

S1、將活性炭、Super P和PVDF混合后加入N-甲基吡咯烷酮溶劑中，球磨攪拌形成均勻的電極漿料，將電極漿料涂覆在涂炭鋁箔上；

S2、將涂覆好的涂炭鋁箔先放入鼓風(fēng)烘箱中烘干溶劑，再放入抽真空的烘箱中，經(jīng)烘干處理后取出，在電動(dòng)對(duì)輥機(jī)上輥壓緊實(shí)制成電極極片；

S3、采用沉積法對(duì)電極極片的電極活性材料或電極極片上進(jìn)行沉積處理，然后剪裁制得超級(jí)電容器用電極極片。

具體的，步驟S1中，活性炭、Super P和PVDF構(gòu)成的溶質(zhì)與N-甲基吡咯烷酮溶劑的質(zhì)量比為1：(4～6)，活性炭、Super P和PVDF的質(zhì)量比為(8～7)：(1～2)：1。

具體的，步驟S1中，球磨攪拌處理的速度為300～400rpm。