一种超级电容器电极材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于能源存储技术领域，涉及一种超级电容器电极材料及其制备方法，尤其涉及一种衬底@多孔镍@过渡金属氧化物三维复合薄膜的电极材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前，随着可穿戴以及便携式电子产品小型化的迅猛发展，对所提供电源的柔性储能器件的小型化提出了更高的要求:轻质、柔性、比容量高、体积小以及循环性能优异。常用的储能方式有电池及超级电容器两种，相对于电池，超级电容器可以提供更快的充放电速度、更高的功率密度及优秀的循环性能，而且比常用的电化学电容器具有更高的能量密度，超级电容器是一种介于电池和普通电化学电容器之间的一种新型储能方式。
[0003]赝电容器作为超级电容器一个重要分支，其质量比容量比双电层超级电容器高数倍甚至十几倍，目前得到广泛的研究和重视。常用的赝电容材料主要为过渡金属氧化物或者氢氧化物，比如氧化钌、氧化镍、氧化锰及氢氧化镍等，但是这些材料都存在一个弊端，就是它们的导电性较差，在真正的使用过程中无法达到其理论比容量，尤其是在高倍率充放电情况下，其容量的衰减更为严重。为了克服其导电性差的缺点，经常将其与高导电性材料进行复合，比如多孔碳、多孔金属、导电聚合物或者纳米金属粒子等。
[0004]为了提高单位面积电容器的比电容，研究人员将赝电容电极材料与三维多孔结构材料复合，提尚单位面积的电极活性材料负载量及活性材料有效反应面积，从而提尚超级电容器的面积比电容及比容量，如Xingyou Lang等采用去合金的方法得到了纳米孔金薄膜，继而采用电化学方法在纳米孔中填充二氧化锰材料，制备了 Au/Mn02杂化复合材料，取得 1145F/g 的高比电容(Nanoporous metal/oxide hybrid electrodes forelectrochemical supercapacitors, Xingyou Lang, Akihiko Hirata, Takeshi Fujita andMingwei Chen, NATURE NANOTECHNOLOGY.2011, 6);该方法所制备的多孔々11/]\11102复合薄膜材料属于自支撑薄膜，无法制备可穿戴电子产品所需的微器件，而且存在材料成本昂贵，制备周期长的弊端。
[0005]物理沉积技术是半导体工艺中常用的薄膜制备技术，也是微电子和微机电中制备微器件最为常规的工艺，包括热蒸发沉积、磁控溅射镀膜沉积及电子束蒸发沉积等，可以制备各种金属或者非金属薄膜，对衬底没有选择性。
[0006]目前，柔性超级电容器微器件多采用二维平面器件制备工艺，存在单位面积活性物质负载量低、面积比电容低、倍率性能及循环性能较差的缺点，并且能量密度较低，不能满足便携式电子产品的供电需求。
【发明内容】
[0007]针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种超级电容器电极材料及其制备方法，所述电极材料为衬底@多孔镍@过渡金属氧化物三维复合薄膜的电极材料，其具有较高的质量比电容、面积比电容、循环性能以及优异的抗弯折性能，非常适合柔性可穿戴储能器件的制备，具有广阔的应用前景。
[0008]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0009]本发明的目的之一在于提供一种超级电容器电极材料，所述电极材料包括衬底，位于衬底上的多孔镍膜，和位于多孔镍膜表面和孔隙中的过渡金属氧化物。
[0010]所述电极材料为衬底@多孔镍@过渡金属氧化物三维复合薄膜，其具有较高的质量比电容、面积比电容、循环性能以及优异的抗弯折性能，非常适合储能器件的制备。
[0011]所述衬底优选为柔性透明高分子材料衬底，其它的材料如玻璃等也可用于本发明的衬底，典型但非限制性的衬底为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PDMS (聚二甲基硅氧烷)或PET (聚对苯二甲酸乙二醇酯)中的任意一种或至少两种的组合，优选为PET，当选用柔性透明高分子材料的衬底时，衬底@多孔镍@过渡金属氧化物三维复合薄膜的电极材料尤其适合柔性可穿戴储能器件的制备，所述器件的尺寸可为4X 2cm2。
[0012]优选地，所述多孔镍膜的厚度为0.01-200 μ m，如0.05μπι、0.I μπι、0.3μπκ0.5 μ m、0.8 μ m、1.0 μ m、5 μ m、10 μ m、30 μ m、50 μ m、70 μ m、100 μ m、130 μ m、150 μ m、170 μ m或190 μ m等，优选为0.1-0.5 μ m，进一步优选为0.3 μ m。
[0013]优选地，所述多孔镍膜的孔径大小为30_50nm，如35nm、38nm、40nm、42nm、45nm或48nm等，所述多孔镍膜上的孔隙有利于MnOj^填充及电解液离子的传输。
[0014]优选地，所述电极材料中过渡金属氧化物的含量为0.02-1.0mg/cm2，所述电极材料中过渡金属氧化物的含量以衬底上表面的面积为准进行测量，所述过渡金属氧化物的含量可为 0.05mg/cm2、0.08mg/cm2、0.lmg/cm2、0.2mg/cm2、0.5mg/cm2、0.7mg/cm2、0.8mg/cm2或0.9mg/cm2等，优选为0.04-0.08mg/cm2，进一步优选为0.06mg/cm2，含有此负载量的过渡金属氧化物能够保证电极材料具有高的比电容。
[0015]优选地，所述过渡金属氧化物为氧化镍、氧化钌、氧化钴或氧化锰中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合为氧化镍与氧化钌，氧化钴与氧化锰，氧化钌与氧化钴，氧化镍、氧化钌与氧化钴，氧化镍、氧化钌、氧化钴与氧化锰等，优选为氧化锰。
[0016]优选地，所述多孔镍膜形成光栅图案、点阵图案或圆形图案，以适应不同领域的需要。
[0017]本发明的目的之二在于提供一种如上所述电极材料的制备方法，所述方法包括如下步骤:
[0018]所述方法包括如下步骤:
[0019](I)对衬底进行表面处理；
[0020](2)利用磁控溅射工艺在处理后的衬底上沉积镍膜；
[0021](3)利用湿法腐蚀工艺将镍膜制备成多孔镍膜；
[0022](4)利用电子束蒸发镀膜工艺在多孔镍膜上填充过渡金属氧化物，得到基于多孔镍@过渡金属氧化物三维复合薄膜的电极材料。
[0023]所述多孔镍膜具有图案时，在步骤(I)之后和步骤(2)之前还进行步骤(Γ ):采用紫外光刻工艺在处理后的衬底制备光刻胶图案；在步骤(4)之后还进行步骤(4’ ):采用Lift-Off工艺将光刻胶去除。
[0024]步骤(I’ )具体为:在衬底上旋涂光刻胶，之后烘干，再曝光，显影，得到具有光刻胶图案的衬底。
[0025]本领域的技术人员可根据需要选择不同的光刻胶，优选为B51光刻胶和/或SUNl 150P光刻胶。
[0026]优选地，所述光刻胶的旋涂速度为500-1500r/min，如600r/min、700r/min、900r/min、1000r/min、1200r/min、1300r/min 或 1400r/min 等。
[0027]优选地，所述烘干的温度为60-150 °C，如 65 °C、70 °C、80 °C、90 °C、100 °C、110 °C、120°C、130 °C 或 140 °C 等，烘干的时间为 2-lOmin，如 3min、4min、5min、6min、7min、8min 或9min 等。
[0028]优选地，所述曝光的时间为l-5min，如lmin、2min、3min、4min或5min等。
[0029]优选地，所述显影的时间为1-1OminJn 2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min或9min等。
[0030]优选地，所述光刻胶图案可为宏观图案如矩形或圆形等，也可为微观图案，如光栅图案或点阵图案等。本领域的技术人员，可在实际制备中自行选择、设计需要制备的图案。
[0031]利用紫外光刻工艺可以得到不同的光刻胶图案，从而使得基于多孔镍@过渡金属氧化物三维复合薄膜的电极材料具有不同的图案。
[0032]优选地，步骤(4’)具体为:将步骤⑷得到的产物置于丙酮溶液中，超声l_15min，如 2min、5min、7min、9min、lOmin、12min、13min 或 14min 等。
[0033]步骤⑴所述的表面处理为将衬底分别在丙酮和无水乙醇中进行超声清洗，之后烘干，再用氧等离子体进行清洗。
[0034]优选地，所述超声清洗的时间为15_60min，如 16min、18min、20min、22min、24min、28min、30min、35min、40min、45min、50min 或 55min