CN110931263B - 一种超级电容器电极结构及增强方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超级电容器电极结构及增强方法，属于新能源技术领域。电容器电极材料（2）和电容器增强层（1），在电容器增强层（1）与电容器电极材料（2）之间通过压电效应形成PN结。增强方法包括以下步骤：S1：给电容器增强层（1）和电容器电极材料（2）施加电压，恒电流充电，使用时再进行放电处理；S2：充放电的同时，对电容器增强层（1）和电容器电极材料（2）施加应力，使其变形。
Description
技术领域
本发明涉及一种超级电容器电极结构及增强方法，属于新能源技术领域。
背景技术
随着新能源汽车的大力 推广、数码电子产品加速普及，动力电池市场也随之快速发展。 据前瞻产业研究院大数显示， 2016年中国动力电池市场规模为645亿元。但是动力电池的功率密度较低，一直制约其应用发展。超级电容器是一种介于传统级电容器和动力电池之间的新型电化学储能器件，它具有充放速度快、循环寿命长且环境友好等优势，逐渐成为了研究的焦点和热点。已报道的研究往往都是通过化学或材料的方法实现高比表面积或（和）高导电性，如A flexible alkaline rechargeable Ni/Fe battery based ongraphene foam/carbon nanotubes hybrid film文章中所记载， 从而获得高电容量的电极材料，如引入另一种或多组元构成纳米复合材料，而在物理机制和效应方面的研究涉及较少。
界面是影响超级电容器性能的最主要的因素之一，也是对超级电容器进行性能调控的主要方向，诺贝尔物理学奖Herbert Kroemer有个经典论断：“The interface is thedevice”（界面就是器件）。已有大量研究，在Predictable particle engineering:programming the energy level, carrier generation and conductivity of core-shell particles中记载，通过在超级电容器电极中进行能带设计，引入异质结结构，有效实现了高的电子传输效率。压电电子学效应是一种基于压电半导体材料的新的物理效应，通过应变产生压电极化电荷，调节异质结界面处的能带结构，从而可有效的控制器件界面处载流子的产生、分离、传输和复合行为，如在文章Piezoelectric field effecttransistor and nanoforce sensor based on a single ZnO中记载，压电效应是研究界面能带结构/器件性能关系的有效手段。基于压电电子学理论对超级电容器电极界面进行人工调控，得到界面演变对电极性能的影响规律与机制，为高性能超电容电极材料的设计制备提供理论基础具有重要的科学意义和研究价值。
针对超级电容器异质结界面优化来提高性能与构建已有一些报道，如PorousElectrospun Fibers with Self-Sealing Functionality: An Enabling Strategy forTrapping Biomacromolecules和Dendritic Heterojunction Nanowire Arrays forHigh-Performance Supercapacitors。但界面相关物理参数对性能的影响机制的理论研究甚少，缺乏调控异质结界面电子能带结构的手段。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种超级电容器电极结构及增强方法。
一种超级电容器电极结构，包括电容器电极材料和电容器增强层，在电容器增强层与电容器电极材料之间形成PN结，电容器增强层具有压电效应。
进一步的，所述的电容器增强层为N型半导体且具有压电特性，所述电容器电极材料为P型半导体且具有多价态；所述的电容器增强层的材料为ZnO、GaN或其掺杂物，所述电容器电极材料为金属氧化物、金属氢氧化物、导电聚合物等的任意一种或几种。
进一步的，所述的电容器增强层可以单独作为导电基底，或者所述超级电容器电极结构设有非电容器增强层导电基底，所述增强层完整覆盖在非电容器增强层导电基底上，所述非电容器增强层导电基底与电容器电极材料无连接；电容器电极材料完整覆盖所述的电容器增强层。
进一步的，所述电容器电极材料与所述的电容器增强层界面可以是连续或者不连续，其界面为二维薄膜结构、三维形状结构的一种或多种混合。
进一步的，所述电容器增强层为第一电容器增强层，包括底层和凸起部，电容器电极材料为第一电容器电极材料，并覆盖在底层和凸起部的表面，且第一电容器电极材料的表面为完整的平面。
进一步的，所述电容器增强层为第一电容器增强层，包括底层和凸起部，电容器电极材料为第二电容器电极材料，覆盖在底层和凸起部的表面，凸起部覆盖第二电容器电极材料后存在间隙。
进一步的，所述电容器增强层为第一电容器增强层，包括底层和凸起部，电容器电极材料为第三电容器电极材料，覆盖在凸起部的顶部。
进一步的，所述的电容器增强层为第二电容器增强层，形状为圆柱体，电容器电极材料为第四电容器电极材料，覆盖在第二电容器增强层的圆周表面。
一种超级电容器电极增强方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：给电容器增强层和电容器电极材料施加电压，进行恒电流充电，使用时再进行放电处理；
S2：充放电的同时，对电容器增强层和电容器电极材料施加应力，使其变形。
进一步的，所述充电电压在0-0.5V，电流大小范围为0.9A/g -1.1A/g；形变量为0.1%-15%，所述的应力为压缩应力或拉伸应力或两者的结合。
本发明提供了一种超级电容器电极结构及增强方法，提高了电容器的电流传输效率及电容量，通过将P型的超级电容器与电容器增强层（ZnO）结合，一方面可以利用电容器增强层（ZnO）更高的载流子迁移率，另一方面能构建pn结，进一步提升电荷的转移；在此基础上，可以进一步通过对电容器增强层（ZnO）施加压缩或者拉伸应力，使其产生正向或负向的压电势，从而对PN结进行进一步调控，以满足充放电过程中的不同需求。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为非电容器增强层导电基底电极结构示意图；
图3为二维薄膜结构示意图；
图4为三维形状结构示意图；
图5为实施例1结构示意图；
图6为实施例2结构示意图；
图7为实施例3结构示意图；
图8为实施例4结构示意图；
其中：1-电容器增强层；2-电容器电极材料；3-第一电容器增强层；4-第一电容器电极材料；5-凸起部；6-底层；7-第二电容器电极材料；8-间隙；9-第三电容器电极材料；10-第二电容器增强层；11-第四电容器电极材料；12-非电容器增强层导电基底。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，一种超级电容器的电极结构，包括电容器电极材料2和电容器增强层1，电容器增强层1为N型半导体且具有压电特性，电容器电极材料为P型半导体且具有多价态，因此在电容器增强层1与电容器电极材料2之间通过压电效应可以形成PN结，形成的PN结界面为连续界面。
电容器增强层1可以单独作为导电基底，结构如图1所示，或者所述超级电容器电极结构设有非电容器增强层导电基底12，所述增强层1完整覆盖在非电容器增强层导电基底12上，所述非电容器增强层导电基底12与电容器电极材料2无连接，结构如图2所示；电容器电极材料2完整覆盖所述的电容器增强层1。
所述电容器增强层1材料可以为ZnO、GaN或其掺杂物，电容器电极材料2可以是金属氧化物、金属氢氧化物、导电聚合物等的任意一种或几种。形成的界面是二维薄膜结构、三维形状结构的一种或多种混合，如图3和图4所示，电容器电极材料2覆盖在电容器增强层1的表面，如图1和图2所示。所述电容器电极材料2与电容器增强层1的结构可以为多种。
实施例1
如图5所示，第一电容器增强层3包括底层6和凸起部5，第一电容器电极材料4覆盖在底层6和凸起部5的表面，且第一电容器电极材料4的表面为完整的平面。
实施例2
如图6所示，在实施例1的基础上，虽然第二电容器电极材料7也覆盖在底层6和凸起部5的表面，凸起部5为圆柱形，但是凸起部5覆盖电容器电极材料后仍存在间隙8。
实施例3
如图7所示，第一电容器增强层包括底层6和凸起部5，第三电容器电极材料9仅覆盖在凸起部5的顶部。
实施例4
如图8所示，第二电容器增强层10结构为圆柱体，第四电容器电极材料11覆盖在第二电容器增强层10的圆周表面。
一种超级电容器电极增强方法，电容器增强层采用压电材料ZnO、GaN或其掺杂物，也可以是其他压电材料，电容器电极材料采用金属氧化物、金属氢氧化物、导电聚合物等的任意一种或几种。
电容器增强层采用ZnO，电容器电极材料采用NiO，具体过程如下：
S1：给电容器增强层1 ZnO和电容器电极材料2 NiO施加电压，电容器电极材料2接电压正端，电容器增强层接电压负端，电压在0-0.5V恒电流充电，电流大小为1A/g；使用时再进行放电处理；
S2:在充放电的同时，对电容器增强材料和电容器电极材料施加应力，使其变形，形变量为0.1%-15%。所述应力可以为压缩应力或（和）拉伸应力。
Claims (9)
1.一种超级电容器电极增强方法，采用超级电容器电极结构，所述超级电容器电极结构包括电容器电极材料（2）和电容器增强层（1），其特征在于所述方法包括以下步骤：
S1：给电容器增强层（1）和电容器电极材料（2）施加电压，进行恒电流充电，使用时再进行放电处理，在电容器增强层（1）与电容器电极材料（2）之间形成PN结，电容器增强层（1）具有压电效应；
S2：充放电的同时，对电容器增强层（1）和电容器电极材料（2）施加应力，使其变形。
2.根据权利要求1所述的一种超级电容器电极增强方法，其特征在于所述的电容器增强层（1）为N型半导体且具有压电特性，所述电容器电极材料（2）为P型半导体且具有多价态；所述的电容器增强层（1）的材料为ZnO、GaN或其掺杂物，所述电容器电极材料（2）为金属氧化物、金属氢氧化物、导电聚合物的任意一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种超级电容器电极增强方法，其特征在于所述的电容器增强层（1）单独作为导电基底，或者所述超级电容器电极结构设有非电容器增强层导电基底（12），所述增强层（1）完整覆盖在非电容器增强层导电基底（12）上，所述非电容器增强层导电基底（12）与电容器电极材料（2）无连接；电容器电极材料（2）完整覆盖所述的电容器增强层（1）。
4.根据权利要求1所述的一种超级电容器电极增强方法，所述电容器电极材料（2）与所述的电容器增强层（1）界面是连续或者不连续，其界面为二维薄膜结构、三维形状结构的一种或多种混合。
5.根据权利要求1所述的一种超级电容器电极增强方法，其特征在于所述电容器增强层（1）为第一电容器增强层（3），包括底层（6）和凸起部（5），电容器电极材料（2）为第一电容器电极材料（4），并覆盖在底层（6）和凸起部（5）的表面，且第一电容器电极材料（4）的表面为完整的平面。
6.根据权利要求1所述的一种超级电容器电极增强方法，其特征在于所述电容器增强层（1）为第一电容器增强层（3），包括底层（6）和凸起部（5），电容器电极材料（2）为第二电容器电极材料（7），覆盖在底层（6）和凸起部（5）的表面，凸起部（5）覆盖第二电容器电极材料（7）后存在间隙（8）。
7.根据权利要求1所述的一种超级电容器电极增强方法，其特征在于所述电容器增强层（1）为第一电容器增强层（3），包括底层（6）和凸起部（5），电容器电极材料（2）为第三电容器电极材料（9），覆盖在凸起部（5）的顶部。
8.根据权利要求1所述的一种超级电容器电极增强方法，其特征在于所述的电容器增强层（1）为第二电容器增强层（10），形状为圆柱体，电容器电极材料（2）为第四电容器电极材料（11），覆盖在第二电容器增强层（10）的圆周表面。
9.根据权利要求1所述的一种超级电容器电极增强方法，其特征在于所述充电电压在0-0.5V，电流大小范围为0.9A/g -1.1A/g；形变量为0.1%-15%，所述的应力为压缩应力或拉伸应力或两者的结合。
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