CN105405684B - 一种等离子处理改善Al集电极的方法 - Google Patents

一种等离子处理改善Al集电极的方法 Download PDF

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Abstract

一种等离子处理改善Al集电极的方法，本发明涉及电极材料的制备方法。本发明要解决现有Al集电极材料中由于致密氧化层存在，导致的界面电阻较高，载流子扩散较慢的问题。本发明的方法：对铝箔进行清洗处理，将清洗后的铝箔置于等离子体化学气相沉积真空装置中，通入氢气和氩气并调节压强，在氢气和氩气气氛中升温，调节参数，刻蚀处理；最后通入氩气和甲烷，调节气体流量，压强和射频功率，沉积碳层，即可完成等离子处理。本发明用于等离子处理改善Al集电极的方法。

Description

一种等离子处理改善Al集电极的方法
技术领域
本发明涉及改善Al集电极的方法。
背景技术
随着二十世纪微电子产业的发展，小型化设备大量出现，对电源提出了很大的要求。研究开发新能源，节能减排是全球能源发展的重要方向。超级电容器是近年来出现的一种高功率、快速充放电、循环寿命长的储能元件。和普通镍镉电池相比，它具有充放电速度快及能量密度高的特点；与普通电容器相比，它具有储能量大的优点。综合来说，超级电容器的成本较低廉，可靠性好，应用范围较广，在能源、数码、电子、汽车等领域都有巨大的应用前景。
超级电容器由双电极、电解质、集电极、隔离物四部分组成。目前对超级电容器性能的研究主要集中在电极材料方面，其中，电极材料是影响超级电容器性能的重要因素，现有电极材料中，热稳定性、耐腐蚀性、和活性物质粘接不好是面临的最主要的问题，在电极材料的制备过程中，拉浆工序是在集电极上涂覆一种含有活性物质和粘接剂的浆液，然后进行干燥。改善集电极材料可以有效改善超级电容器性能。
集电极，指超级电容器中介与极化电极和引出电极之间的导电结构，起支撑作用，它完成电子集结功能，对超级电容器的稳定性、可靠性、电容量等方面影响很大。随着超级电容器的研究发展，集电极材料也在不停的发展。在现有的集电极材料中，Al材料显示着非常巨大的优势。与广泛使用的Ni和Fe集电极材料相比，Al材料具有更好的导电性、更小的密度及更低的成本。但是Al集电极材料存在一定问题，传统结构Al集电极表面氧化层较为致密，集流体接触面积较小，使得接触电阻较大，严重影响了其作为集电极材料的进一步应用。
发明内容
本发明要解决现有Al集电极材料中由于致密氧化层存在，导致的界面电阻较高，载流子扩散较慢的问题，而提供一种等离子处理改善Al集电极的方法。
一种等离子处理改善Al集电极的方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将Al基底材料先置于丙酮溶液中超声清洗1min～5min，然后再置于无水乙醇中超声清洗1min～5min，清洗后烘干，得到清洗后的Al基底材料；
二、将清洗后的Al基底材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空后，通入氢气，调节氢气气体流量为10sccm～100sccm，再通入氩气，调节氩气体流量为10sccm～100sccm，然后调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为100Pa～300Pa，并在压强为100Pa～300Pa的条件下，在15min将温度升温至300℃～600℃；
三、升温后，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa～500Pa，然后在射频功率为50W～200W、压强为200Pa～500Pa和温度为300℃～600℃的条件下进行刻蚀，刻蚀时间为10s～900s；
四、刻蚀结束后，停止通入氢气，通入甲烷气体，调节甲烷气体流量为5sccm～50sccm，调节氩气流量为50sccm～100sccm，调节等离子体化学气相沉积真空装置中压强为200Pa～700Pa，然后在射频功率为50W～200W、压强为200Pa～700Pa和温度为300℃～600℃条件下进行沉积，沉积时间为10s～900s，沉积结束后，关闭电源，停止通入甲烷气体，在氩气气氛下，将温度由300℃～600℃冷却至室温，即得到等离子处理改善的Al集电极。
本发明的有益效果是：
1、采用等离子体化学气相沉积的方法，运用等离子体刻蚀技术，有效去除了Al表面致密的氧化膜，同时在表面形成Al4C3结构，可以优化电极电荷传导路径，有效地降低电荷传输电阻。
2、本发明的方法简单，高效，便于工业化生产，增加了Al集电极表面载流子迁移速率，极大的拓宽了这种材料的应用范围。
本发明用于一种等离子处理改善Al集电极的方法。
附图说明
图1为Al-2p特征峰的XPS能谱图，1为实施例一制备的等离子处理改善的Al集电极，1-1为Al4C3峰，2为实施例一步骤一中所述的Al基底材料，2-1为AlOx峰，2-2为Al2O3峰；
图2为实施例一制备的等离子处理改善的Al集电极的Al-2p特征峰拟合图，1为Al4C3峰，2为Al2O3峰。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式所述的一种等离子处理改善Al集电极的方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将Al基底材料先置于丙酮溶液中超声清洗1min～5min，然后再置于无水乙醇中超声清洗1min～5min，清洗后烘干，得到清洗后的Al基底材料；
二、将清洗后的Al基底材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空后，通入氢气，调节氢气气体流量为10sccm～100sccm，再通入氩气，调节氩气体流量为10sccm～100sccm，然后调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为100Pa～300Pa，并在压强为100Pa～300Pa的条件下，在15min将温度升温至300℃～600℃；
三、升温后，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa～500Pa，然后在射频功率为50W～200W、压强为200Pa～500Pa和温度为300℃～600℃的条件下进行刻蚀，刻蚀时间为10s～900s；
四、刻蚀结束后，停止通入氢气，通入甲烷气体，调节甲烷气体流量为5sccm～50sccm，调节氩气流量为50sccm～100sccm，调节等离子体化学气相沉积真空装置中压强为200Pa～700Pa，然后在射频功率为50W～200W、压强为200Pa～700Pa和温度为300℃～600℃条件下进行沉积，沉积时间为10s～900s，沉积结束后，关闭电源，停止通入甲烷气体，在氩气气氛下，将温度由300℃～600℃冷却至室温，即得到等离子处理改善的Al集电极。
本实施方式的有益效果是：
1、采用等离子体化学气相沉积的方法，运用等离子体刻蚀技术，有效去除了Al表面致密的氧化膜，同时在表面形成Al4C3结构，可以优化电极电荷传导路径，有效地降低电荷传输电阻。
2、本实施方式的方法简单，高效，便于工业化生产，增加了Al集电极表面载流子迁移速率，极大的拓宽了这种材料的应用范围。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的Al基底材料为厚度为5μm～50μm的铝箔。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的Al基底材料为厚度为25μm的铝箔。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中然后调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa，并在压强为200Pa的条件下，在15min将温度升温至300℃～600℃。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中然后调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa，并在压强为200Pa的条件下，在15min将温度升温至550℃。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中在15min将温度升温至500℃～550℃。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中然后在射频功率为50W～200W、压强为200Pa～500Pa和温度为600℃的条件下进行刻蚀，刻蚀时间为10s～900s。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中然后在射频功率为50W～200W、压强为200Pa～500Pa和温度为300℃～600℃的条件下进行刻蚀，刻蚀时间为300s。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中调节甲烷气体流量为15sccm。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四中然后在射频功率为50W～200W、压强为200Pa～700Pa和温度为300℃～600℃条件下进行沉积，沉积时间为30s。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例所述的一种等离子处理改善Al集电极的方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将Al基底材料先置于丙酮溶液中超声清洗5min，然后再置于无水乙醇中超声清洗5min，清洗后置于温度为60℃的真空干燥箱中烘干，得到清洗后的Al基底材料；
二、将清洗后的Al基底材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空后，通入氢气，调节氢气气体流量为20sccm，再通入氩气，调节氩气体流量为40sccm，然后调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa，并在压强为200Pa的条件下，在15min将温度升温至550℃；
三、升温后，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa，然后在射频功率为100W、压强为200Pa和温度为550℃的条件下进行刻蚀，刻蚀时间为300s；
四、刻蚀结束后，停止通入氢气，通入甲烷气体，调节甲烷气体流量为15sccm，调节氩气流量为85sccm，调节等离子体化学气相沉积真空装置中压强为650Pa，然后在射频功率为200W、压强为650Pa，温度为550℃条件下进行沉积，沉积时间为180s，沉积结束后，关闭电源，停止通入甲烷气体，在氩气气氛下，将温度由550℃冷却至室温，即得到等离子处理改善的Al集电极；
步骤一中所述的Al基底材料为厚度为25μm的铝箔。
图1为Al-2p特征峰的XPS能谱图，1为实施例一制备的等离子处理改善的Al集电极，1-1为Al4C3峰，2为实施例一步骤一中所述的Al基底材料，2-1为AlOx峰，2-2为Al2O3峰；由图可知，原始Al样品Al-2p有两个特征峰，一个是来自AlOx中低于+3的Al离子(72.5eV)，另一个是来自Al2O3中的Al3+(74.3eV)。而经刻蚀处理的Al集电极有一个特征峰，来自Al4C3中的Al3+(73.7eV)。通过XPS能谱图对比，可以明显看出Al集电极材料表面的状态发生了改变，从Al2O3转化成为Al4C3。
图2为实施例一制备的等离子处理改善的Al集电极的Al-2p特征峰拟合图，1为Al4C3峰，2为Al2O3峰。由图可知，本实施例制备的等离子处理改善的Al集电极的表面主要组成为Al4C3，少量的Al2O3。可以推断在刻蚀过程Al基底表面的氧化膜得以去除，同时有着大量的Al4C3的生成。
同时采用本实例制备的等离子处理改善的Al集电极，在1mol/L的TEABF4/AN电解液中的电荷传输电阻约4.2Ω，说明本发明可以优化电极电荷传导路径，有效地降低电荷传输电阻。

Claims (10)

1.一种等离子处理改善Al集电极的方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、将Al基底材料先置于丙酮溶液中超声清洗1min～5min，然后再置于无水乙醇中超声清洗1min～5min，清洗后烘干，得到清洗后的Al基底材料；
二、将清洗后的Al基底材料置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空后，通入氢气，调节氢气气体流量为10sccm～100sccm，再通入氩气，调节氩气体流量为10sccm～100sccm，然后调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为100Pa～300Pa，并在压强为100Pa～300Pa的条件下，在15min将温度升温至300℃～600℃；
三、升温后，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa～500Pa，然后在射频功率为50W～200W、压强为200Pa～500Pa和温度为300℃～600℃的条件下进行刻蚀，刻蚀时间为10s～900s；
四、刻蚀结束后，停止通入氢气，通入甲烷气体，调节甲烷气体流量为5sccm～50sccm，调节氩气流量为50sccm～100sccm，调节等离子体化学气相沉积真空装置中压强为200Pa～700Pa，然后在射频功率为50W～200W、压强为200Pa～700Pa和温度为300℃～600℃条件下进行沉积，沉积时间为10s～900s，沉积结束后，关闭电源，停止通入甲烷气体，在氩气气氛下，将温度由300℃～600℃冷却至室温，即得到等离子处理改善的Al集电极。
2.根据权利要求1所述的一种等离子处理改善Al集电极的方法，其特征在于步骤一中所述的Al基底材料为厚度为5μm～50μm的铝箔。
3.根据权利要求1所述的一种等离子处理改善Al集电极的方法，其特征在于步骤一中所述的Al基底材料为厚度为25μm的铝箔。
4.根据权利要求1所述的一种等离子处理改善Al集电极的方法，其特征在于步骤二中然后调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa，并在压强为200Pa的条件下，在15min将温度升温至300℃～600℃。
5.根据权利要求1所述的一种等离子处理改善Al集电极的方法，其特征在于步骤二中然后调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa，并在压强为200Pa的条件下，在15min将温度升温至550℃。
6.根据权利要求1所述的一种等离子处理改善Al集电极的方法，其特征在于步骤二中在15min将温度升温至500℃～550℃。
7.根据权利要求1所述的一种等离子处理改善Al集电极的方法，其特征在于步骤三中然后在射频功率为50W～200W、压强为200Pa～500Pa和温度为600℃的条件下进行刻蚀，刻蚀时间为10s～900s。
8.根据权利要求1所述的一种等离子处理改善Al集电极的方法，其特征在于步骤三中然后在射频功率为50W～200W、压强为200Pa～500Pa和温度为300℃～600℃的条件下进行刻蚀，刻蚀时间为300s。
9.根据权利要求1所述的一种等离子处理改善Al集电极的方法，其特征在于步骤四中调节甲烷气体流量为15sccm。
10.根据权利要求1所述的一种等离子处理改善Al集电极的方法，其特征在于步骤四中然后在射频功率为50W～200W、压强为200Pa～700Pa和温度为300℃～600℃条件下进行沉积，沉积时间为30s。
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