[发明专利]一种片上集成超级电容器的电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种片上集成超级电容器的电极材料及其制备方法，电极材料包括图形化纳米导电层以及有序纳米双层同轴管阵列，有序纳米双层同轴管阵列由垂直生长在纳米导电层上的纳米双层同轴管构成；纳米双层同轴管包括过渡金属纳米管和生长在过渡金属纳米管内侧的过渡金属氧化物纳米管；纳米双层同轴管同时具有纳米孔洞构成的次级结构。该电极材料结构有序可控，具有比表面积大，提供更多储能反应点，提高储能密度；纳米管和次级结构孔道提供了离子输运通道，提高了充放电效率；纳米导电层和渡金属纳米管层构成的三维纳米集流体不仅与储能材料直接导通形成良好电荷传导通路还能兼容片上平面工艺，具有片上一体化集成和灵活图形化制备的特性。

技术领域

本发明涉及能源存储材料及器件技术领域，特别涉及一种片上集成超级电容器的电极材料及其制备方法。

背景技术

超级电容器作为一种新型绿色的储能器件,因其具有充放电速度快,循环寿命长,功率密度高,安全可靠等优点而备受研究者的广泛关注。作为超级电容器的核心部件,电极对超级电容器的能量存储性能有着关键性的影响。基于片上(On-chip)储能应用的微型超级电容器是储能领域新型的发展方向，现有的基于微型超级电容器的集成方案，常采用在预先分离制备的三维结构集流体上浆涂储能材料、或采用脱合金技术、或者采用柔性电极材料借助3D打印等方法制备。然而，这些方案一般需独立于片上加工的多个分离的步骤，集成度受限；同时还存在着储能材料的无序堆积造成的储能材料利用率低，电极中活性材料与集流体接触随机影响电荷转移等技术瓶颈；此外，传统技术方案中浆涂储能材料和脱合金技术受限于集流体的制备难以实现片上电极直接图形化，3D打印虽然能较灵活实现图形化但受限于良好流变性及导电性的特殊打印材料，通常可用储能材料受限于较低的理论比电容值，其能量密度和功率密度往往并不如意。再者，现有片上储能应用的超级电容器多面向柔性衬底开发，缺少兼容主流非柔性基片，如半导体芯片常用的Si片的集成、图形化和高性能的超级电容器电极材料和制备工艺。所以急需开发具有高存储性能且适于片上图形化和集成的超级电容器电极材料及面向片上集成应用的简单大规模制备的制备方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中现有面向片上集成应用的微型超级电容器电极材料及其制备过程中存在的储能性能低、制备流程复杂、集成度低等问题，提供一种片上集成超级电容器的电极材料及其制备方法，本发明提供的电极材料结构有序可控，具有比表面积大、高储能密度、高效充放电效率，并且具有片上一体化集成和灵活图形化制备的特性，同时本发明提供的电极材料制备方法可以应用于多种过渡金属氧化物超级电容器电极材料制备。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种片上集成微型超级电容器的电极材料，所述电极材料包括图形化的纳米导电层以及有序纳米双层同轴管阵列，所述有序纳米双层同轴管阵列由垂直生长在所述纳米导电层上的纳米双层同轴管构成；所述纳米双层同轴管包括过渡金属纳米管和生长在所述过渡金属纳米管内侧的过渡金属氧化物纳米管；所述过渡金属纳米管由过渡金属或过渡金属合金构成；所述过渡金属氧化物纳米管由所述过渡金属纳米管的过渡金属或过渡金属合金中具有储能性能的氧化物构成；所述纳米双层同轴管管壁具有纳米孔洞构成的次级结构。