CN102157272A - 一种制备MnO2/C复合薄膜电极材料的方法 - Google Patents

一种制备MnO2/C复合薄膜电极材料的方法 Download PDF

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一种制备MnO2/C复合薄膜电极材料的方法，采用磁控溅射方法制备，通过控制溅射电源功率、溅射气氛、溅射偏压、溅射压强和溅射温度得到MnO2/C复合薄膜，具体步骤为：选直径2英寸的金属Mn靶和石墨靶为靶材；Mn靶采用射频电源，射频电源功率在50～150W之间；石墨靶采用直流电源，直流电源功率30～60W之间；溅射气氛为高纯Ar和高纯O2的混合气；溅射前的基底真空小于5×10-4Pa；在溅射过程中对基底施加0～-100V溅射偏压；并将溅射压强控制在0.5～1.0Pa之间内；溅射时对溅射室温度控制在室温～300℃之间。溅射气氛流量比Ar∶O2＝1∶1。本发明操作流程简单，制备的MnO2/C复合薄膜电极材料比电容高、循环稳定性好，可应用在需要高稳定性、高功率密度微型电源的场合。

Description

一种制备MnO<sub>2</sub>/C复合薄膜电极材料的方法
技术领域
本发明涉及微电子领域的超级薄膜电容器，具体涉及一种制备MnO2/C复合薄膜电极材料的方法。
背景技术
超级电容器(Supercapacitor)是近年来继镍氢电池、锂离子电池等二次电源之后发展起来的新型清洁储能器件，其应用涉及消费类电子产品、太阳能产品、电动玩具和工具、微电子工业、军事应用和汽车工业等诸多领域。超级电容器同市场上现有镍氢电池、锂离子电池等流行储能元件相比，具有几个显著的优点：①比功率大。可以提供数十倍于二次电池的功率密度，可完成瞬时大功率的输出要求；②循环寿命长。超级电容器的理论寿命通常在十万次以上，这是二次电池难以达到的；③工作温度范围宽。在零下几十度的低温及较高温度下均可保持稳定的工作状态；④充电时间短。但在微电子产品中，微器件的加速、开关等十分频繁。同汽车启动类似，微器件的驱动同样需要短时大功率能量来开启器件开关、加速等。锂离子薄膜二次电池作为微器件的驱动能源，虽然它有较高的能量密度，但功率密度偏小，难以胜任反复的器件瞬时开关、加速，这就需要大功率、可快速充放电的超级薄膜电容器的支持[J.H.Lim，D.J.Choi，H.-K.Kim，W.I.Cho，Y.S.Yoon，J.Electrochem.Soc.，148(3)(2001)A275.]。因此，大比容量的超级薄膜电容器成为现今微电子行业器件驱动系统研究的热点，是未来微电子产业微器件驱动解决方案的重要方向之一[H.-K.Kim，T.-Y.Seong，J.-H.Lim，W.I.Cho，Y.S.Yoon，J.Power Sources 102(2001)167.H.-K.Kim，S.-H.Choi，Y.S.Yoon，S.-Y.Chang，Y.-W.Ok，T.-Y.Seong，Thin Solid Films 475(2005)54.]。
发明内容
本发明公开了一种制备MnO2/C复合薄膜电极材料的方法，其目的在于克服现有技术存在的功率密度偏小，难以胜任反复的器件瞬时开关、加速等需要，本发明不仅操作流程简单，设备工艺成熟，适用范围广，而且得到的MnO2/C复合薄膜电极材料比电容高、循环稳定性好。
一种制备MnO2/C复合薄膜电极材料的方法，其特征在于：采用磁控溅射方法制备，通过控制溅射电源功率、溅射气氛、溅射偏压、溅射压强和溅射温度得到MnO2/C复合薄膜，具体步骤如下：
选直径2英寸的金属Mn靶和石墨靶为靶材；溅射气氛为高纯Ar和高纯O2的混合气；Mn靶采用射频电源，所述的射频电源功率在50～150W之间；石墨靶采用直流电源，所述的直流电源功率30～60W之间；溅射前的基底真空小于5×10-4Pa；在溅射过程中对基底施加0～-100V溅射偏压；并将溅射压强控制在0.5～1.0Pa之间内；溅射时对溅射室温度控制为室温～300℃之间。。
所述的溅射气氛流量比Ar∶O2＝1∶1。
本发明采用磁控溅射方法制备MnO2/C复合薄膜电极材料。通过控制溅射电源功率、溅射气氛、溅射偏压、溅射压强和溅射温度几个条件得到MnO2/C复合薄膜。MnO2/C复合薄膜电极材料做为法拉第赝电容电极材料，有着较大的比电容和良好的循环稳定性。在MnO2/C复合薄膜体系中，C材料良好的导电性为MnO2在电极氧化还原过程中释放出更多的法拉第赝电容起到了重要的促进作用，提高了的MnO2/C复合薄膜电极的比电容。
本发明的优点和积极效果是：操作流程简单，设备工艺成熟，适用范围广；得到的MnO2/C复合薄膜电极材料比电容高、循环稳定性好，可应用在需要高稳定性、高功率密度微型电源的场合。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
实施例1：
磁控溅射制备MnO2/C复合薄膜电极。以Mn靶和C靶作为溅射靶材，功率分别设定为100W和40W；铜片为基材；溅射气氛为Ar和O2混合气(流量比1∶1)；溅射偏压-100V；溅射压强0.5Pa；溅射温度为室温；溅射时间10min，得到MnO2/C复合薄膜电极。
以制备得到的MnO2/C复合薄膜电极材料为工作电极，碳电极为辅助电极，Ag/AgCl为参比电极，1M Na2SO4为电解液，组成三电极测试系统进行电化学性能测试。恒流充放电电流为0.1mA/cm2。薄膜电极在500个循环后比电容为36.2mF·cm-2·μm-1，库伦效率保持在90％以上。
实施例2：
磁控溅射制备MnO2/C复合薄膜电极。以Mn靶和C靶作为溅射靶材，功率分别设定为120W和50W；铜片为基材；溅射气氛为Ar和O2混合气(流量比1∶1)；溅射偏压-50V；溅射压强0.5Pa；溅射温度为室温；溅射时间10min，得到MnO2/C复合薄膜电极。
以制备得到的MnO2/C复合薄膜电极材料为工作电极，碳电极为辅助电极，Ag/AgCl为参比电极，1M Na2SO4为电解液，组成三电极测试系统进行电化学性能测试。恒流充放电电流为0.1mA/cm2。薄膜电极在500个循环后比电容为30.5mF·cm-2·μm-1，库伦效率保持在90％以上。
实施例3：
磁控溅射制备MnO2/C复合薄膜电极。以Mn靶和C靶作为溅射靶材，功率分别设定为150W和60W；铜片为基材；溅射气氛为Ar和O2混合气(流量比1∶1)；溅射偏压-100V；溅射压强0.5Pa；溅射温度为室温；溅射时间5min，得到MnO2/C复合薄膜电极。
以制备得到的MnO2/C复合薄膜电极材料为工作电极，碳电极为辅助电极，Ag/AgCl为参比电极，1M Na2SO4为电解液，组成三电极测试系统进行电化学性能测试。恒流充放电电流为0.1mA/cm2。薄膜电极在500个循环后比电容为38.8mF·cm-2·μm-1，库伦效率保持在80％以上。
实施例4：
磁控溅射制备MnO2/C复合薄膜电极。以Mn靶和C靶作为溅射靶材，功率分别设定为100W和40W；铜片为基材；溅射气氛为Ar和O2混合气(流量比1∶1)；溅射偏压-100V；溅射压强1.0Pa；溅射温度为室温；溅射时间10min，得到MnO2/C复合薄膜电极。
以制备得到的MnO2/C复合薄膜电极材料为工作电极，碳电极为辅助电极，Ag/AgCl为参比电极，1M Na2SO4为电解液，组成三电极测试系统进行电化学性能测试。恒流充放电电流为0.1mA/cm2。薄膜电极在500个循环后比电容为25.6mF·cm-2·μm-1，库伦效率保持在90％以上。
实施例5：
磁控溅射制备MnO2/C复合薄膜电极。以Mn靶和C靶作为溅射靶材，功率分别设定为100W和40W；铜片为基材；溅射气氛为Ar和O2混合气(流量比1∶1)；溅射偏压-100V；溅射压强1.0Pa；溅射温度为300℃；溅射时间10min，得到MnO2/C复合薄膜电极。
以制备得到的MnO2/C复合薄膜电极材料为工作电极，碳电极为辅助电极，Ag/AgCl为参比电极，1M Na2SO4为电解液，组成三电极测试系统进行电化学性能测试。恒流充放电电流为0.1mA/cm2。薄膜电极在500个循环后比电容为16.7mF·cm-2·μm-1，库伦效率保持在80％以上。
实施例6：
磁控溅射制备MnO2/C复合薄膜电极。以Mn靶和C靶作为溅射靶材，功率分别设定为100W和40W；铜片为基材；溅射气氛为Ar和O2混合气(流量比1∶1)；溅射偏压0V；溅射压强1.0Pa；溅射温度为300℃；溅射时间10min，得到MnO2/C复合薄膜电极。
以制备得到的MnO2/C复合薄膜电极材料为工作电极，碳电极为辅助电极，Ag/AgCl为参比电极，1M Na2SO4为电解液，组成三电极测试系统进行电化学性能测试。恒流充放电电流为0.1mA/cm2。薄膜电极在500个循环后比电容为12.2mF·cm-2·μm-1，库伦效率保持在80％以上。

Claims (2)

1.一种制备MnO2/C复合薄膜电极材料的方法，其特征在于：采用磁控溅射方法制备，通过控制溅射电源功率、溅射气氛、溅射偏压、溅射压强和溅射温度得到MnO2/C复合薄膜，具体步骤如下：
选直径2英寸的金属Mn靶和石墨靶为靶材；Mn靶采用射频电源，所述的射频电源功率在50～150W之间；石墨靶采用直流电源，所述的直流电源功率30～60W之间；溅射气氛为高纯Ar和高纯O2的混合气；溅射前的基底真空小于5×10-4Pa；在溅射过程中对基底施加0～-100V溅射偏压；并将溅射压强控制在0.5～1.0Pa之间内；溅射时对溅射室温度控制在室温～300℃之间。。
2.根据权利要求1所述的一种制备MnO2/C复合薄膜电极材料的方法，其特征在于：所述的溅射气氛流量比Ar∶O2＝1∶1。
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