CN105023761A - 用于能量存储器件的纳米结构电极及具有该电极的赝电容 - Google Patents

用于能量存储器件的纳米结构电极及具有该电极的赝电容 Download PDF

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Abstract

一种用于能量存储器件的纳米结构电极及具有该电极的赝电容，纳米结构电极具有互导互联的金属纳米结构的引出电极，引出电极表面包覆有活性层。还设置有修饰层，修饰层设置于引出电极表面与活性层之间。引出电极为直径5？nm~500？nm、长度大于5？um金属纳米线。活性层的厚度设置为1？nm~1000？nm，活性层由一层或者多层子活性层叠设而成，子活性层的材料为过渡金属氧化物、导电聚合物或者复合赝电容材料中的任意一种。修饰层由一层或者多层子修饰层叠设而成，子修饰层的材料为金属氧化物、金属氮化物或者金属氟化物。该纳米结构电极具有表面积大的特点，使用该这种结构纳米结构电极的赝电容容量大。

Description

用于能量存储器件的纳米结构电极及具有该电极的赝电容
技术领域
本发明涉及能量存储器件技术领域，特别是涉及一种用于能量存储器件的纳米结构电极及具有该电极的赝电容。
背景技术
超级电容器，又称电化学电容器，是一种重要的电化学能量存储与转换装置。和普通电池相比，超级电容器具有能提供更高的功率密度。
常规超级电容器主要包含以下构件：1）双电极（电极如果是同种材料就是对称的，如果是不同种材料则就是不对称的）；2）电解质；3）用于防止电极接触短路的隔膜。此外，电极还设置有对应的引出电极。
基于构件所选用不同的材料和器件不同的工作原理，超级电容器可分为双电层电容器（Electrochemical Double Layer Capacitor，EDLC）、法拉第赝电容（Faradic Pseudocapacitor，FP）以及前两者的混合电容（Hybrid Supercapacitor，HC）。
EDLC电极由疏松多孔的碳材料构成，具有非常巨大的表面积。当但碳电极浸泡在电解质中，并施加跨过碳电极和电解质的电压时，能量被存储在碳表面与电解质之间的双层内建电场当中。ELDC的开发以及持续了数十年，目前EDLC容量提升的最大瓶颈是难以继续提升碳电极的表面积。
FP电极由金属或金属氧化物构成，其表面会和电解质发生氧化还原反应，能量通过这种电化学方式进行存储。理论上，FP的容量可达ELDC的10～100倍，但金属或金属氧化物材料电极本身的表面积难以和疏松多孔的碳材料电极相比，表面积利用率低，导致FP的实际容量也较难达到理想水平。
因此，针对现有赝电容器件活性物质导电性能的缺陷，提供一种电极表面积利用率高，所制备的电容有效表面积利用率高，电容器件电容量大的用于能量存储器件的纳米结构电极及具有该电极的赝电容以克服现有技术不足甚为必要。
发明内容
本发明的目的之一在于避免现有技术的不足之处而提供一种用于能量存储器件的纳米结构电极，该纳米结构电极具有电荷收集效率高、有效面积大的特点，具有该纳米结构电极的赝电容具有电容量大的特点。
本发明的上述目的通过以下技术措施实现：
提供一种用于能量存储器件的纳米结构电极，具有互导互联的金属纳米结构的引出电极，所述引出电极表面包覆有活性层。
优选的，上述的用于能量存储器件的纳米结构电极，还设置有修饰层，所述修饰层设置于所述引出电极表面与所述活性层之间。修饰层可以降低活性层与电极表面的接触势垒，提高电荷传输效率。
优选的，上述引出电极为金属纳米线。
优选的，上述金属纳米线的直径为5 nm~500 nm，长度大于5um。
优选的，上述活性层的厚度设置为1 nm~1000 nm，所述活性层由一层或者多层子活性层叠设而成，所述子活性层的材料为过渡金属氧化物、导电聚合物或者复合赝电容材料中的任意一种；
作为子活性层的过渡金属氧化物具体为RuO2、MnO2、In2O3、MoO3、CuO、V2O5或者TiO2中的任意一种或者一种以上的组合；
作为子活性层的导电聚合物具体为聚苯胺(PANi)、聚吡咯（PPy）、聚噻吩（PTh）、聚乙烯醇(PVA) /H3PO4或者聚氧化乙烯 (PEO)/LiClO4中的任意一种或者一种以上的组合；
作为子活性层的复合赝电容材料具体为碳/金属氧化物材料、碳/导电聚合物材料或者碳/氧化还原电对材料中的任意一种或者一种以上的组合；
     所述碳/金属氧化物材料具体包括：CeO2/石墨烯(GE) 或者MnO2/碳纳米管（CNT）；
     所述碳/导电聚合物材料具体包括：聚噻吩（PTh）/碳纳米管（CNT）、聚苯胺(PANi) /石墨烯(GE)、聚吡咯（PPy）/碳纳米卷（CNC）或者聚苯胺(PANi)/碳纳米卷（CNC）；
     所述碳/氧化还原电对材料具体包括：NaI/I2掺杂AC/PEO/LiAlO2。
优选的，上述修饰层的厚度为0.1 nm~10 nm。
优选的，上述修饰层由一层或者多层子活性层叠设而成，所述子修饰层的材料为金属氧化物、金属氮化物或者金属氟化物，具体包括：MgO、ZnO、CsO、TiN、MoN、LiF或者CsF。
优选的，上述纳米电极通过如下步骤方法制备：
（1）使用溶液加工法在柔性衬底上制备金属纳米线薄膜，金属纳米线薄膜中的金属纳米线呈交错分布的互导互联结构；
（2）使用ALD方法在金属纳米线上制备一层或多层活性层薄膜。
另一优选的，上述纳米电极通过如下步骤方法制备：
（1）使用溶液加工法在柔性衬底上制备金属纳米线薄膜，金属纳米线薄膜中的金属纳米线呈交错分布的互导互联结构；
（1-2）使用ALD方法在金属纳米线上制备一层或多层子修饰层薄膜形成修饰层；
（2）使用ALD方法在修饰层薄膜上制备一层或多层子活性层薄膜构成整体活性层。
本发明的另一目的是提供一种赝电容，该赝电容具有电解质、隔膜及上述的纳米结构电极。
本发明的一种用于能量存储器件的纳米结构电极及具有该纳米结构电极的赝电容，纳米结构电极具有互导互联的金属纳米结构的引出电极，所述引出电极表面包覆有活性层。该纳米结构电极采用纳米结构的引出电极，能够利用纳米结构材料的高表面积特性，一方面提供较低阻值的引出电阻，一方面利用引出电极作为载体沉积赝电容电极材料。通过ALD工艺，可以将赝电容材料致密地沉积在引出电极之上，有效地提升了表面积的利用率。使用该这种结构纳米结构电极的赝电容可以突破低表面积的瓶颈，提升容量。
附图说明
结合附图对本发明作进一步的描述，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明一种用于能量存储器件的纳米结构电极实施例1的结构示意图。
图2是在柔性衬底上制备的金属纳米线薄膜的示意图。
图3是在金属纳米线上制备活性层薄膜的示意图。
图4是金属纳米线上沉积的活性层结构在电子显微镜下的图像。
图5是本发明实施例1的赝电容的结构示意图。
图6是本发明一种用于能量存储器件的纳米结构电极实施例2的结构示意图。
图7是本发明实施例2的纳米结构电极的制备示意图。
图8是本发明实施例2的赝电容的结构示意图。
在图1至图8中，包括：
衬底01、金属纳米线02、活性层03、
修饰层04、 电解质05、  隔膜06。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1。
一种用于能量存储器件的纳米结构电极，如图1所示，具有互导互联的金属纳米结构的引出电极，引出电极表面包覆有活性层03。
具体的，引出电极为金属纳米线02。金属纳米线02的直径为5 nm~500 nm，长度大于5 um。
具体的，活性层03的厚度设置为1m~1000 nm，活性层03可以由一层或者多层子活性层叠设而成，每层所述子活性层的材料为过渡金属氧化物、导电聚合物或者复合赝电容材料中的任意一种。
其中，作为子活性层的过渡金属氧化物具体为RuO2、MnO2、In2O3、MoO3、CuO、V2O5或者TiO2中的任意一种或者一种以上的组合。
作为子活性层的导电聚合物具体为聚苯胺(PANi)、聚吡咯（PPy）、聚噻吩（PTh）、聚乙烯醇(PVA) /H3PO4或者聚氧化乙烯 (PEO)/LiClO4中的任意一种或者一种以上的组合。
作为子活性层的复合赝电容材料具体为碳/金属氧化物材料、碳/导电聚合物材料或者碳/氧化还原电对材料中的任意一种或者一种以上的组合。碳/金属氧化物材料具体包括：CeO2/石墨烯(GE) 或者MnO2/碳纳米管（CNT）。碳/导电聚合物材料具体包括：聚噻吩（PTh）/碳纳米管（CNT）、聚苯胺(PANi) /石墨烯(GE)、聚吡咯（PPy）/碳纳米卷（CNC）或者聚苯胺(PANi)/碳纳米卷（CNC）。碳/氧化还原电对材料具体包括：NaI/I2掺杂AC/PEO/LiAlO2。
该纳米电极通过如下步骤方法制备：
（1）使用溶液加工法在柔性衬底01例如碳布、聚四氟乙烯、PI膜上制备金属纳米线02薄膜，金属纳米线02薄膜中的金属纳米线02呈交错分布的互导互联结构，如图2所示。
（2）使用ALD方法在金属纳米线02上制备一层或多层活性层03薄膜，如图3所示。
图4显示了一种材料的金属纳米线02上沉积的活性层03结构在电子显微镜下的图像，从图中可以看出，金属纳米线02错综排列在一起，金属纳米线02之间还形成了不规则的空隙结构。
该纳米电极采用纳米结构的引出电极，能够利用纳米结构材料的高表面积特性，一方面提供较低阻值的引出电阻，一方面利用引出电极作为载体沉积赝电容电极材料。通过ALD工艺，将赝电容材料致密地沉积在引出电极之上，有效地提升了表面积的利用率。使用该这种结构纳米结构电极的赝电容可以突破低表面积的瓶颈，提升容量。
具有该纳米结构电极的赝电容，如图5所示，赝电容采用该纳米结构电极，还具有电解质05和隔膜06。
具体的，电解质05可以为水性电解质05或者有机电解质05。水性电解质05包括酸性电解质05、碱性电解质05。酸性电解质05如包括H2SO4；碱性电解质05如包括KOH、NaOH。有机电解质05如LiClO4、TEABF4。
具体的，隔膜06可为聚丙烯膜、聚乙烯膜、隔膜06纸、无纺或者高分子半透膜。
由于该赝电容采用具有高表面积的纳米电极，能够突破现有技术中的赝电容低表面积的瓶颈，提升容量。
实施例2。
一种用于能量存储器件的纳米结构电极，如图6所示，其它结构与实施例1相同，不同之处在于：该纳米结构电极，还设置有修饰层04，修饰层04设置于引出电极表面与活性层03之间。修饰层可以降低活性层与电极表面的接触势垒，提高电荷传输效率。
修饰层04的厚度为0.1 nm~10 nm。具体的，修饰层04由一层或者多层子修饰层叠设而成，子修饰层的材料为金属氧化物、金属氮化物或者金属氟化物，具体包括：MgO、ZnO、CsO、TiN、MoN、LiF或者CsF。
该纳米电极通过如下步骤方法制备：
（1）使用溶液加工法在柔性衬底01上制备金属纳米线02薄膜，金属纳米线02薄膜中的金属纳米线02呈交错分布的互导互联结构；
（1-2）使用ALD方法在金属纳米线02上制备一层或多层子修饰层薄膜形成修饰层04；
（2）使用ALD方法在修饰层04薄膜上制备一层或多层子活性层薄膜构成整体活性层03，如图7所示。
该纳米电极采用纳米结构的引出电极，能够利用纳米结构材料的高表面积特性，一方面提供较低阻值的引出电阻，一方面利用引出电极作为载体沉积赝电容电极材料。通过ALD工艺，将赝电容材料致密地沉积在引出电极之上，有效地提升了表面积的利用率。使用该这种结构纳米结构电极的赝电容可以突破低表面积的瓶颈，提升容量。
具有该纳米结构电极的赝电容，如图8所示，赝电容采用该纳米结构电极，还具有电解质05和隔膜06。
具体的，电解质05可以为水性电解质05或者有机电解质05。水性电解质05包括酸性电解质05、碱性电解质05。酸性电解质05如包括H2SO4；碱性电解质05如包括KOH、NaOH。有机电解质05如LiClO4、TEABF4。
具体的，隔膜06可为聚丙烯膜、聚乙烯膜、隔膜06纸、无纺或者高分子半透膜。
由于该赝电容采用具有高表面积的纳米电极，能够突破现有技术中的赝电容低表面积的瓶颈，提升容量。
实施例3。
一种赝电容，结构同图5，通过如下方法制备而成。
    选择直径为120 nm的Ag纳米线溶液，利用丝网印刷加工法，在PI衬底01上制备Ag纳米线薄膜02。然后使用VO(OC3H7)3作为V源前驱体，使用H2O作为氧源，在200℃的条件下，在Ag纳米线上包覆80 nm的V2O5作为活性层03。然后分别选择PEO/LiClO4与聚丙烯作为电解质05与隔膜06制成单侧赝电容。最然后再将两个单侧电容在隔膜侧贴合形成对称电容。
由于该赝电容采用具有高表面积的纳米电极，能具有容量大的特点。
实施例4。
一种赝电容，结构同图8，通过如下方法制备而成。
    选择直径为60 nm的Pt纳米线，在聚四氟乙烯衬底01上制备直径为60 nm的Pt纳米线02。使用二甲基锌（ZnMe2）作为Zn前驱体，氧气等离子体作为氧源，在300 ℃的条件下制备10 nm的ZnO薄膜作为修饰层04。然后再使用乙基二茂锰（Mn(CpEt)2）作为锰源，H2O作为氧源在150 oC下制作60 nm的MnO薄膜覆盖在ZnO薄膜表面作为活性层03。然后选择(PVA) /H3PO4与聚丙烯作为电解质05与隔膜06制成单侧赝电容。另一侧电容采用二茂铁（Fe(Cp)2）与O2在350℃下制备60 nm的Fe2O3薄膜作为活性层03。将两侧电容贴合，形成非对称电容。该赝电容采用具有高表面积的纳米电极，具有容量大的特点。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种用于能量存储器件的纳米结构电极，其特征在于：具有互导互联的金属纳米结构的引出电极，所述引出电极表面包覆有活性层。
2.根据权利要求1所述的用于能量存储器件的纳米结构电极，其特征在于：还设置有修饰层，所述修饰层设置于所述引出电极表面与所述活性层之间。
3.根据权利要求2所述的用于能量存储器件的纳米结构电极，其特征在于：所述引出电极为金属纳米线。
4.根据权利要求3所述的用于能量存储器件的纳米结构电极，其特征在于：所述金属纳米线的直径为5 nm~500 nm，长度大于5 um。
5.根据权利要求4所述的用于能量存储器件的纳米结构电极，其特征在于：所述活性层的厚度设置为1 nm~1000 nm，所述活性层由一层或者多层子活性层叠设而成，所述子活性层的材料为过渡金属氧化物、导电聚合物或者复合赝电容材料中的任意一种；
作为子活性层的过渡金属氧化物具体为RuO2、MnO2、In2O3、MoO3、CuO、V2O5或者TiO2中的任意一种或者一种以上的组合；
作为子活性层的导电聚合物具体为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙烯醇/H3PO4或者聚氧化乙烯/LiClO4中的任意一种或者一种以上的组合；
作为子活性层的复合赝电容材料具体为碳/金属氧化物材料、碳/导电聚合物材料或者碳/氧化还原电对材料中的任意一种或者一种以上的组合；
     所述碳/金属氧化物材料具体包括：CeO2/石墨烯或者MnO2/碳纳米管；
     所述碳/导电聚合物材料具体包括：聚噻吩/碳纳米管、聚苯胺/石墨烯、聚吡咯/碳纳米卷或者聚苯胺/碳纳米卷；
     所述碳/氧化还原电对材料具体包括：NaI/I2掺杂AC/PEO/LiAlO2。
6.根据权利要求2所述的用于能量存储器件的纳米结构电极，其特征在于：所述修饰层的厚度为0.1 nm~10 nm。
7.根据权利要求6所述的用于能量存储器件的纳米结构电极，其特征在于：所述修饰层由一层或者多层子修饰层叠设而成，所述子修饰层的材料为金属氧化物、金属氮化物或者金属氟化物，具体包括：MgO、ZnO、CsO、TiN、MoN、LiF或者CsF。
8.根据权利要求1所述的于能量存储器件的纳米结构电极，其特征在于：所述纳米电极通过如下步骤方法制备：
（1）使用溶液加工法在柔性衬底上制备金属纳米线薄膜，金属纳米线薄膜中的金属纳米线呈交错分布的互导互联结构；
（2）使用ALD方法在金属纳米线上制备一层或多层活性层薄膜。
9.根据权利要求2所述的于能量存储器件的纳米结构电极，其特征在于：所述纳米电极通过如下步骤方法制备：
（1）使用溶液加工法在柔性衬底上制备金属纳米线薄膜，金属纳米线薄膜中的金属纳米线呈交错分布的互导互联结构；
（1-2）使用ALD方法在金属纳米线上制备一层或多层子修饰层薄膜形成修饰层；
（2）使用ALD方法在修饰层薄膜上制备一层或多层子活性层薄膜构成整体活性层。
10.一种赝电容，其特征在于：具有电解质、隔膜以及如权利要求1至9任意一项所述的纳米结构电极。
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