[发明专利]全过渡金属氮化物集流体/电极超级电容器及其制备方法

权利要求书

1.一种全过渡金属氮化物集流体/电极超级电容器，其特征在于，所述的超级电容器结构为三明治结构、平面叉指结构或3D纳米结构，超级电容器的正、负两端可以采用对称式也可以采用非对称式结构；所述的对称式结构为电容器正、负两端均采用全过渡金属氮化物MN集流体/电极材料；非对称式结构为电容器正、负两端采用不同的材料，其中一端采用过渡金属氮化物集流体/电极材料，另一端采用常用的超级电容器电极和集流体材料；所述MN中的M为Ti、V、Ta、Mo或其他过渡金属中的一种或几种；所述的常用的超级电容器电极材料为碳材料、硅基材料、金属氧化物材料或导电聚合物；常用的集流体为金、铜、钛、铂或泡沫镍；

所述的全过渡金属氮化物集流体/电极超级电容器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：清洗衬底，除去表面的有机物、金属颗粒和其他杂质；所述的衬底采用Si、Ge、三五族半导体材料中的一种、玻璃或聚合物柔性基底；

步骤二：采用薄膜沉积工艺在衬底表面沉积全过渡金属氮化物MN集流体/电极材料：

采用物理气相沉积法在步骤一清洗后的衬底上沉积一层表面平滑、致密度高、电阻率低的MN薄膜作为集流体材料；再通过调整沉积工艺参数，改变薄膜表面原子扩散和形核生长机制，在集流体材料上继续生长一层表面粗糙、多孔、电阻率高的MN薄膜作为电极材料，在衬底表面沉积全MN集流体/电极材料；

所述的作为集流体材料的MN薄膜厚度为10～5000nm，电阻率＜500μΩ·cm；所述的作为电极材料的MN薄膜厚度为10～5000nm，电阻率＞1000μΩ·cm；

沉积集流体材料的工艺参数为：靶基距为10～100mm；Ar:N₂＝(10-60):(1-10)sccm；溅射功率：100-400W；基底温度为室温～400℃；工作气压为0.2～1.5Pa；基底偏压为-50～-400V；溅射时间：1-500min；

沉积电极材料的工艺参数为：靶基距为10～100mm；Ar:N₂＝(10-60):(1-10)sccm；溅射功率：100-400W；基底温度为室温～400℃；工作气压为0.4～1.5Pa；溅射时间：1-500min；

步骤三：制备超级电容器：

将步骤二制备得到的全MN集流体/电极材料作为超级电容器正极、负极或正负极，并添加电解质材料，制备对称式或非对称式的超级电容器；所述的超级电容器结构为三明治结构、平面叉指结构或3D纳米结构。

2.根据权利要求1所述的一种全过渡金属氮化物集流体/电极超级电容器的制备方法，其特征在于，所述步骤二还可以采用化学气相沉积CVD或原子层沉积ALD法，在清洗后的衬底表面沉积全MN集流体/电极材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种全过渡金属氮化物集流体/电极超级电容器的制备方法，其特征在于，所述的全MN集流体/电极材料中除了存在M和N元素外，还含有O、Cl；所述电阻率低的MN薄膜M和N的原子百分数占薄膜总原子数的比例大于80％；所述电阻率高的MN薄膜M和N的原子百分比占薄膜总原子数的比例大于50％。

4.根据权利要求1或2所述的一种全过渡金属氮化物集流体/电极超级电容器的制备方法，其特征在于，所述的物理气相沉积法包括真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀。

5.根据权利要求3所述的一种全过渡金属氮化物集流体/电极超级电容器的制备方法，其特征在于，所述的物理气相沉积法包括真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种全过渡金属氮化物集流体/电极超级电容器的制备方法，其特征在于，所述三五族半导体为砷化镓；所述柔性基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亚胺PI。

7.根据权利要求3所述的一种全过渡金属氮化物集流体/电极超级电容器的制备方法，其特征在于，所述三五族半导体为砷化镓；所述柔性基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亚胺PI。

8.根据权利要求4所述的一种全过渡金属氮化物集流体/电极超级电容器的制备方法，其特征在于，所述三五族半导体为砷化镓；所述柔性基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚酰亚胺PI。