CN104362298A - 一种电极片及其制备方法、储能装置 - Google Patents

一种电极片及其制备方法、储能装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及储能元件技术领域，公开了一种电极片及其制备方法、储能装置，其中，所述电极片的制备方法包括：在金属衬底上形成锗薄膜；利用功能化元素对锗薄膜进行拓扑化处理，以获得具有拓扑半导体特性的电极片。通过上述电极片制备方法制得的电极片的电导率高、内阻小。

Description

一种电极片及其制备方法、储能装置
技术领域
本发明涉及储能元件技术领域，特别涉及一种电极片及其制备方法、储能装置。
背景技术
近些年，能源供应紧张、环境污染备受关注的社会环境下，污染小、更环保的锂离子电池、燃料电池和超级电容器等受到关注。电极材料是燃料电池、锂离子电池、超级电容器等储能原件的重要组成部分，是影响器件储能性能、寿命及生产成本的关键因素，开发电导率高、电容量和能量存储密度较高的电极是该领域研究工作的重要内容。
发明内容
本发明提供了一种电极片及其制备方法、储能装置，其中，通过该电极片制备方法制得的电极片电导率高、内阻小。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种电极片的制备方法，包括：
在金属衬底上形成锗薄膜；
利用功能化元素对锗薄膜进行拓扑化处理，以获得具有拓扑半导体特性的电极片。
上述电极片的制备方法中，通过对锗薄膜进行拓扑化处理，可以获得具有拓扑半导体特性的电极片，由于拓扑半导体具有电导率高、内阻小等特性，其在常温下理论电阻值可以达到零，因此，通过上述电极片的制备方法得到的电极片，其电导率高、内阻小。
另外，由于锗薄膜具有高比表面积、稳定性和柔韧性好的特点，对锗薄膜进行拓扑化处理后得到的薄膜同样具有以上特点，因此，通过上述电极片的制备方法得到的电极片具有较高的比表面积和较好的稳定性。
优选地，所述形成锗薄膜，具体为：
采用原子层沉积方法形成锗薄膜；或者，
采用化学气相沉积方法形成锗薄膜；或者，
采用机械剥离转移方法形成锗薄膜；或者，
采用磁控溅射工艺形成锗薄膜；或者，
采用脉冲激光沉积工艺形成锗薄膜。
优选地，所述功能化元素为氟元素、氯元素、溴元素或碘元素。
优选地，所述利用功能化元素对锗薄膜进行拓扑化处理，以获得具有拓扑半导体特性的电极，具体包括：利用氟元素、氯元素、溴元素或者碘元素对锗薄膜进行卤化，以获得卤化锗薄膜。
优选地，所述对锗薄膜进行卤化，具体为：
采用气相方法对锗薄膜进行卤化；或者，
采用液相方法对锗薄膜进行卤化；或者，
采用表面修饰方法对锗薄膜进行卤化；或者，
采用等离子体处理方法对锗薄膜进行卤化。
优选地，采用液相方法对锗薄膜进行卤化时，所述对锗薄膜进行卤化，包括：在液溴氛围下对锗薄膜进行卤化，液溴浓度为1％～10％，处理温度为40～80摄氏度，以形成溴化锗薄膜。
优选地，采用气相方法对锗薄膜进行卤化时，所述对锗薄膜进行卤化，包括：
在碘气氛围下、气体压力为1～10帕、处理温度为60～100摄氏度时对锗薄膜进行卤化，以形成碘化锗薄膜；或者，
在溴气氛围下、在气体压力为1～10帕、处理温度为50～400摄氏度时对锗薄膜进行卤化，以形成溴化锗薄膜；或者，
在氯气氛围中、处理温度为50～400摄氏度时对锗薄膜退火10min，以形成氯化锗薄膜。
优选地，采用气相方法对锗薄膜进行卤化时，所述对锗薄膜进行卤化，包括：在BCl3气体的氛围下对锗薄膜进行卤化，气体压力为1～10帕，处理温度为250～350摄氏度，并在卤素气体氛围下90～130摄氏度退火，以形成氯化锗薄膜。
优选地，采用表面修饰方法对锗薄膜进行卤化时，所述对锗薄膜进行卤化，包括：将含有卤素的有机胶体材料涂布在衬底上；将所述衬底涂有有机胶体材料的一侧贴压在锗薄膜上，以使得有机胶体中的卤素原子转移到锗薄膜上，从而实现锗薄膜的卤化。
优选地，采用等离子体处理方法对锗薄膜进行卤化时，所述对锗薄膜进行卤化，包括：在电感耦合等离子体或者反应离子蚀刻设备中，采用卤元素等离子体轰击锗薄膜表面，以使得卤元素等离子体吸附在锗薄膜中，从而实现锗薄膜的卤化。
优选地，所述功能化元素为氢元素、氮元素、硼元素或硫元素。
优选地，所述在金属衬底上形成锗薄膜之前，还包括：清洗金属衬底。
一种电极片，包括金属衬底和设置于所述金属衬底上、具有拓扑半导体特性的含锗元素的薄膜。
优选地，所述薄膜为利用氟元素、氯元素、溴元素或者碘元素对锗薄膜进行卤化形成的卤化锗薄膜。
优选地，
所述卤化锗薄膜为单原子层卤化锗薄膜；或者，
所述卤化锗薄膜为双原子层卤化锗薄膜；或者，
所述卤化锗薄膜为多原子层卤化锗薄膜。
优选地，所述薄膜为利用氢元素、氮元素、硼元素或硫元素对锗薄膜进行拓扑化处理形成的拓扑半导体薄膜。
优选地，所述金属衬底为金箔、铝箔、或者铂片。
一种储能装置，包括上述技术方案中提供的任意一种电极片。
优选地，所述储能装置为电池或者电容器。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种电极片制备方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种超级电容器结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种电极片制备方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种电极片制备方法流程图。
如图1所示，本发明提供的一种电极片的制备方法，包括：
步骤S102，在金属衬底上形成锗薄膜；
步骤S103，利用功能化元素对锗薄膜进行拓扑化处理，以获得具有拓扑半导体特性的电极片。
上述电极片的制备方法中，通过步骤S103，对锗薄膜进行拓扑化处理，可以获得具有拓扑半导体特性的电极片，制备的拓扑半导体具有电导率高、内阻小等特性，其在常温下理论电阻值可以达到零，因此，通过上述电极片的制备方法得到的电极片，其电导率高、内阻小。
另外，由于锗薄膜具有高比表面积、稳定性和柔韧性好的特点，对锗薄膜进行拓扑化处理后得到的薄膜同样具有以上特点，因此，通过上述电极片的制备方法得到的电极片具有较高的比表面积和较好的稳定性。
如图1所示，一种具体的实施例中，步骤S102中，形成锗薄膜，具体可以通过以下方法实现：
方式一，采用原子层沉积方法形成锗薄膜。
方式二，采用化学气相沉积方法形成锗薄膜。
方式三，采用机械剥离转移方法形成锗薄膜。
方式四，采用磁控溅射工艺形成锗薄膜。
方式五，采用脉冲激光沉积工艺形成锗薄膜。
在上述实施例的基础上，一种具体的实施例中，步骤S103中，功能化元素具体可以为：氟元素、氯元素、溴元素或者碘元素。
如图1所示，在上述实施例的基础上，一种具体的实施例中，步骤S103中，利用功能化元素对锗薄膜进行拓扑化处理，以获得具有拓扑半导体特性的电极，具体包括：利用氟元素、氯元素、溴元素或者碘元素对锗薄膜进行卤化，以获得卤化锗薄膜。卤化锗薄膜具有典型的拓扑半导体的特性。
在上述实施例的基础上，一种具体的实施例中，卤化锗薄膜可以为单原子层卤化锗薄膜；或者，卤化锗薄膜可以为双原子层卤化锗薄膜；或者，卤化锗薄膜可以为多原子层卤化锗薄膜。
在上述两个实施例的基础上，一种具体的实施例中，对锗薄膜进行卤化，可以通过以下方法实现：
方式一，采用气相方法对锗薄膜进行卤化。
具体地，上述方式一具体可以包括：
在溴气氛围下对锗薄膜进行卤化，在气体压力为1～10帕，处理温度为50～400摄氏度时，锗薄膜可以被溴气卤化形成具有拓扑半导体特性的溴化锗薄膜；或者，
在氯气氛围中、处理温度为50～400摄氏度环境下对锗薄膜退火10min，以形成具有拓扑半导体特性的氯化锗薄膜；或者，
在碘气氛围下对锗薄膜进行卤化，气体压力为1～10帕，处理温度为60～100摄氏度，以形成具有拓扑半导体特性的碘化锗薄膜；或者，
在BCl3气体的氛围下对锗薄膜进行卤化，气体压力为1～10帕，处理温度为250～350摄氏度，并在卤素气体氛围下90～130摄氏度退火，以形成具有拓扑半导体特性的氯化锗薄膜。
方式二，采用液相方法对锗薄膜进行卤化。
具体地，上述方式二具体可以包括：
在液溴氛围下对锗薄膜进行卤化，液溴浓度为1％～10％，处理温度为40～80摄氏度，以形成具有拓扑半导体特性的溴化锗薄膜。
方式三，采用表面修饰方法对锗薄膜进行卤化。
具体地，上述方式三具体可以包括：
采用含有卤素的有机胶体材料，首先将其涂布在一个衬底上，之后将该涂有有机薄膜的衬底贴压在已沉积锗薄膜的基板上，利用原子团的亲水或疏水特性，使得有机薄膜中相应的含卤素原子团转移到锗薄膜上，从而完成锗薄膜卤化过程。采用表面修饰工艺对锗薄膜进行拓扑化处理的反应可以在接近室温的条件下进行。
方式四，采用等离子体处理方法对锗薄膜进行卤化。
具体地，上述方式四具体可以包括：
采用氯气或四氯化碳作为反应气体，在电感耦合等离子体(ICP)、反应离子蚀刻(RIE)等设备中，卤元素等离子体会轰击锗薄膜表面，进而可能吸附在锗薄膜中，从而完成锗薄膜的卤化过程。采用等离子体处理工艺对锗薄膜进行拓扑化处理，处理温度较低，且可以使膜层表面更均匀。
如图1所示，在上述各实施例的基础上，一种具体的实施例中，步骤S103中，功能化元素还可以为氢元素、氮元素、硼元素或硫元素。
如图3所示，在上述各实施例的基础上，一种具体的实施例中，步骤S102，在金属衬底上形成锗薄膜之前，还包括：步骤S101，清洗金属衬底。
本发明还提供一种采用上述任意一种实施例中提供的电极片的制备方法得到的电极片，包括金属衬底和设置于金属衬底上、具有拓扑半导体特性的含锗元素的薄膜。上述电极片具有电导率高、内阻小、比表面积较高和稳定性较好等特点。
一种优选的实施例中，薄膜可以为利用氟元素、氯元素、溴元素或者碘元素对锗薄膜进行卤化形成的卤化锗薄膜。
在上述实施例的基础上，优选地，卤化锗薄膜可以为单原子层卤化锗薄膜、双原子层卤化锗薄膜，或者，多原子层卤化锗薄膜。
另一种优选的实施例中，薄膜可以为利用氢元素、氮元素、硼元素或硫元素对锗薄膜进行拓扑化处理形成的拓扑半导体薄膜。
在上述各实施例的基础上，一种具体的实施例中，金属衬底可以为金箔、铝箔、或者铂片。
如图2所示，本发明还提供一种储能装置，该储能装置包括上述实施例中提供的电极片2。上述储能装置可以为电池、或者电容器等，例如锂离子电池、燃料电池、超级电容器。
在上述实施例的基础上，如图2所示，本发明还提供一种超级电容器的制备方法，包括：采用上述电极片的制备方法在导电板1上沉积超薄原子层卤化锗薄膜以形成两片电极片2，该导电板1可以为金箔、铂片、铝箔、铜箔或镍箔等；上述两片电极片2分别作为超级电容器的正极片和负极片，在导电板上的正电极片和负电极片之间增加隔膜3，然后将制得的导电板1装入壳体，注入电解液4后密封注液口，从而得到超级电容器。因导电板1表面沉积超薄原子层卤化锗薄膜，可增加电极片2的比表面积，从而得到的电容器可以具有更强的电荷存储功能。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (19)

1.一种电极片的制备方法，其特征在于，包括：
在金属衬底上形成锗薄膜；
利用功能化元素对锗薄膜进行拓扑化处理，以获得具有拓扑半导体特性的电极片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述形成锗薄膜，具体为：
采用原子层沉积方法形成锗薄膜；或者，
采用化学气相沉积方法形成锗薄膜；或者，
采用机械剥离转移方法形成锗薄膜；或者，
采用磁控溅射工艺形成锗薄膜；或者，
采用脉冲激光沉积工艺形成锗薄膜。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述功能化元素为氟元素、氯元素、溴元素或碘元素。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述利用功能化元素对锗薄膜进行拓扑化处理，以获得具有拓扑半导体特性的电极，具体包括：利用氟元素、氯元素、溴元素或者碘元素对锗薄膜进行卤化，以获得卤化锗薄膜。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述对锗薄膜进行卤化，具体为：
采用气相方法对锗薄膜进行卤化；或者，
采用液相方法对锗薄膜进行卤化；或者，
采用表面修饰方法对锗薄膜进行卤化；或者，
采用等离子体处理方法对锗薄膜进行卤化。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用液相方法对锗薄膜进行卤化时，所述对锗薄膜进行卤化，包括：在液溴氛围下对锗薄膜进行卤化，液溴浓度为1％～10％，处理温度为40～80摄氏度，以形成溴化锗薄膜。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用气相方法对锗薄膜进行卤化时，所述对锗薄膜进行卤化，包括：
在碘气氛围下、气体压力为1～10帕、处理温度为60～100摄氏度时对锗薄膜进行卤化，以形成碘化锗薄膜；或者，
在溴气氛围下、在气体压力为1～10帕、处理温度为50～400摄氏度时对锗薄膜进行卤化，以形成溴化锗薄膜；或者，
在氯气氛围中、处理温度为50～400摄氏度时对锗薄膜退火10min，以形成氯化锗薄膜。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用气相方法对锗薄膜进行卤化时，所述对锗薄膜进行卤化，包括：在BCl3气体的氛围下对锗薄膜进行卤化，气体压力为1～10帕，处理温度为250～350摄氏度，并在卤素气体氛围下90～130摄氏度退火，以形成氯化锗薄膜。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用表面修饰方法对锗薄膜进行卤化时，所述对锗薄膜进行卤化，包括：将含有卤素的有机胶体材料涂布在衬底上；将所述衬底涂有有机胶体材料的一侧贴压在锗薄膜上，以使得有机胶体中的卤素原子转移到锗薄膜上，从而实现锗薄膜的卤化。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用等离子体处理方法对锗薄膜进行卤化时，所述对锗薄膜进行卤化，包括：在电感耦合等离子体或者反应离子蚀刻设备中，采用卤元素等离子体轰击锗薄膜表面，以使得卤元素等离子体吸附在锗薄膜中，从而实现锗薄膜的卤化。
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述功能化元素为氢元素、氮元素、硼元素或硫元素。
12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在金属衬底上形成锗薄膜之前，还包括：清洗金属衬底。
13.一种电极片，其特征在于，包括金属衬底和设置于所述金属衬底上、具有拓扑半导体特性的含锗元素的薄膜。
14.根据权利要求13所述的电极片，其特征在于，所述薄膜为利用氟元素、氯元素、溴元素或者碘元素对锗薄膜进行卤化形成的卤化锗薄膜。
15.根据权利要求14所述的电极片，其特征在于，
所述卤化锗薄膜为单原子层卤化锗薄膜；或者，
所述卤化锗薄膜为双原子层卤化锗薄膜；或者，
所述卤化锗薄膜为多原子层卤化锗薄膜。
16.根据权利要求13所述的电极片，其特征在于，所述薄膜为利用氢元素、氮元素、硼元素或硫元素对锗薄膜进行拓扑化处理形成的拓扑半导体薄膜。
17.根据权利要求13～16任一项所述的电极片，其特征在于，所述金属衬底为金箔、铝箔、或者铂片。
18.一种储能装置，其特征在于，包括权利要求13～17中任一项所述的电极片。
19.根据权利要求18所述的储能装置，其特征在于，所述储能装置为电池或者电容器。
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