[发明专利]基于三维硅结构/聚苯胺复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种基于三维硅结构/聚苯胺复合电极材料及其制备方法，该方法以三维硅结构为基底，对三维硅基底表面进行修饰，制备具有较高化学稳定性及较好电学性能的三维硅结构，以改善硅与聚苯胺的表面接触。将导电聚合物聚苯胺以溶液聚合、旋涂/喷涂或电化学聚合方式沉积到硅基底上，制备基于三维硅结构/聚苯胺的复合电极材料，并在聚苯胺的制备过程中引入碳材料、金属颗粒、过渡金属氧化物等进一步提高电极材料的稳定性和比电容。本发明制备的三维硅结构/聚苯胺复合电极材料制备方法简单，制备工艺简单、成本低廉、易规模化，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于材料制备及加工技术领域，更具体地，涉及一种基于三维硅结构/聚苯胺复合电极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着人们对能量存储器件的需求越来越大，超级电容器开始成为研究热点。超级电容器可分为双电层超级电容器和赝电容超级电容器，因其具有较短的充电时间、高功率密度、高循环稳定性以及较长的使用寿命等优点，从而得到了广泛应用。

硅是一种理想的芯片储能用微型超级电容器电极材料，以硅为基底制备的微型超级电容器，可以较好地与其供电的微电子电路一起构建到芯片中，具有重要的科学意义和长远的应用前景。决定电容器性能的关键是其电极材料。与平面硅相比，三维硅结构，如硅纳米阵列、硅微孔阵列、硅纳米锥阵列等，具有较大的比表面积，有利于搭载更多的电极活性物质，增加电极材料与电解质的接触面积，提高器件的比容量，通过改变硅纳米阵列的形貌、稀疏程度等，可以进一步优化硅基底。电解质离子很容易通过硅纳米阵列结构中存在的孔道扩散到电极表面，从而增加了该结构的电容值。

但硅表面具有一定的缺陷态，表面易氧化和光腐蚀，化学稳定性较差，且硅具有较高的电阻，基于纯硅结构制备的电容器的比电容值非常小，只有几十微法(μF/cm2)。因此为提高硅基超级电容器的稳定性以及比电容，必须对硅的表面进行修饰。

导电聚合物相比其他电极材料具有优良的电化学性能和较低的成本等优点。其中，聚苯胺作为一种导电材料，具有低成本、易合成、热稳定性好，比电容大等诸多优点，受到了人们的青睐。但是聚苯胺分子刚性比较大，PANI分子链的刚性和分子链之间的相互作用使其溶解度极低，几乎不溶于任何有机溶剂。这将导致聚苯胺的成膜性能和加工性能较差。单纯用不掺杂的聚苯胺制备硅基超级电容器电极材料，在充放电过程中，由于PANI链发生频繁的膨胀和收缩，导致结构不稳定，使电容快速衰减。此外，还存在聚苯胺与硅基底的粘附等问题。因此为制备高导稳定的电极材料，先对硅基底进行表面修饰，不仅有效改善硅基底的稳定性，还增强了聚苯胺与硅基底的接触。向聚苯胺层的制备过程中单独或复合引入碳材料、金属颗粒或过渡金属氧化物，提高聚苯胺的电化学性能。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供一种基于三维硅结构/聚苯胺复合电极材料及其制备方法，所述方法以经过表面修饰的三维硅材料为基底，将导电聚合物聚苯胺以溶液聚合、旋涂/喷涂、电化学沉积等多种方式应用到硅基底上；使三维硅结构具有较高化学稳定性、较好电学性能以及较低表面载流子复合速率；另外，通过掺杂，提高聚苯胺的导电率。所制备的电极材料具有电导率高、环境友好等优点，且制备条件温和，工艺简单，操作方便，易规模化，有很好的工业化推广前景，产品电化学性能优异，可应用于制备硅微型超级电容器等。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于三维硅结构/聚苯胺复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、以表面为微观三维硅结构的硅为基底，在三维硅基底上制备烷基、寡聚噻吩基、苯乙炔基、金属颗粒中的一种或多种修饰层，修饰硅基底表面；

步骤2、在修饰后的三维硅基底上制备一层聚苯胺。

进一步的，所述步骤1中的修饰层具体通过旋涂、溶液合成或电化学沉积的方式附着在三维硅基底表面上，所述金属颗粒为Ag、Pt、Au中的一种或几种。