[發明專利]一種片上集成超級電容器的電極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202111192926.1
• 申請日: 2021-10-13
• 公開（公告）號: CN114141544B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 余天;黃小燕
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/46;H01G11/86;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 四川力久律師事務所 51221
• 代理人: 陳明龍

本發明公開了一種片上集成超級電容器的電極材料及其制備方法，電極材料包括圖形化納米導電層以及有序納米雙層同軸管陣列，有序納米雙層同軸管陣列由垂直生長在納米導電層上的納米雙層同軸管構成；納米雙層同軸管包括過渡金屬納米管和生長在過渡金屬納米管內側的過渡金屬氧化物納米管；納米雙層同軸管同時具有納米孔洞構成的次級結構。該電極材料結構有序可控，具有比表面積大，提供更多儲能反應點，提高儲能密度；納米管和次級結構孔道提供了離子輸運通道，提高了充放電效率；納米導電層和渡金屬納米管層構成的三維納米集流體不僅與儲能材料直接導通形成良好電荷傳導通路還能兼容片上平面工藝，具有片上一體化集成和靈活圖形化制備的特性。

技術領域

本發明涉及能源存儲材料及器件技術領域，特別涉及一種片上集成超級電容器的電極材料及其制備方法。

背景技術

超級電容器作為一種新型綠色的儲能器件,因其具有充放電速度快,循環壽命長,功率密度高,安全可靠等優點而備受研究者的廣泛關注。作為超級電容器的核心部件,電極對超級電容器的能量存儲性能有著關鍵性的影響?；谄?On-chip)儲能應用的微型超級電容器是儲能領域新型的發展方向，現有的基于微型超級電容器的集成方案，常采用在預先分離制備的三維結構集流體上漿涂儲能材料、或采用脫合金技術、或者采用柔性電極材料借助3D打印等方法制備。然而，這些方案一般需獨立于片上加工的多個分離的步驟，集成度受限；同時還存在著儲能材料的無序堆積造成的儲能材料利用率低，電極中活性材料與集流體接觸隨機影響電荷轉移等技術瓶頸；此外，傳統技術方案中漿涂儲能材料和脫合金技術受限于集流體的制備難以實現片上電極直接圖形化，3D打印雖然能較靈活實現圖形化但受限于良好流變性及導電性的特殊打印材料，通常可用儲能材料受限于較低的理論比電容值，其能量密度和功率密度往往并不如意。再者，現有片上儲能應用的超級電容器多面向柔性襯底開發，缺少兼容主流非柔性基片，如半導體芯片常用的Si片的集成、圖形化和高性能的超級電容器電極材料和制備工藝。所以急需開發具有高存儲性能且適于片上圖形化和集成的超級電容器電極材料及面向片上集成應用的簡單大規模制備的制備方案。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中現有面向片上集成應用的微型超級電容器電極材料及其制備過程中存在的儲能性能低、制備流程復雜、集成度低等問題，提供一種片上集成超級電容器的電極材料及其制備方法，本發明提供的電極材料結構有序可控，具有比表面積大、高儲能密度、高效充放電效率，并且具有片上一體化集成和靈活圖形化制備的特性，同時本發明提供的電極材料制備方法可以應用于多種過渡金屬氧化物超級電容器電極材料制備。

為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方案：

一種片上集成微型超級電容器的電極材料，所述電極材料包括圖形化的納米導電層以及有序納米雙層同軸管陣列，所述有序納米雙層同軸管陣列由垂直生長在所述納米導電層上的納米雙層同軸管構成；所述納米雙層同軸管包括過渡金屬納米管和生長在所述過渡金屬納米管內側的過渡金屬氧化物納米管；所述過渡金屬納米管由過渡金屬或過渡金屬合金構成；所述過渡金屬氧化物納米管由所述過渡金屬納米管的過渡金屬或過渡金屬合金中具有儲能性能的氧化物構成；所述納米雙層同軸管管壁具有納米孔洞構成的次級結構。