[发明专利]基于三维硅基体/过渡金属化合物复合电极材料、制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种基于三维硅基体/过渡金属化合物复合电极、制备方法及应用，所述的过渡金属化合物包括过渡金属硫化物、过渡金属硒化物或者二者的混合物。主要的制备方法是以三维硅基体为基底，通过电化学法、水热法或者高温煅烧法在上面直接或间接制备过渡金属化合物。根据电极结构的不同设计与制备，本发明制备得的三维硅基体/过渡金属化合物电极材料可分别应用于能量转换与存储器件。

技术领域

本发明属于电极材料领域，涉及通过水热法、电化学法或者高温煅烧法在三维硅基体上制备过渡金属化合物，这种得到的基于三维硅基体/过渡金属化合物复合电极材料具有较好的电化学性能，有利于将其用于储能和能量转换系统。

背景技术

随着时代的发展，近些年来创新微型便携设备的出现，例如无线微传感器或生物医学植入微型器件等技术的广泛应用，引起了人们对储能设备领域的极大兴趣。电化学超级电容器在内的电化学系统特别受欢迎，因为它们更可持续和环保。超级电容器由于其高功率密度，低重量，对潜在变化的快速反应，高循环寿命和长期稳定性，很容易超过一百万个运行周期而表现出卓越的性能，所以它是一个和其它储能材料一起集成用于能量转换和存储系统的不错选择。硅是一种理想的芯片储能用微型超级电容器电极材料，而三维硅基体具有尺度小、比表面积大的优点，有利于搭载更多的电极活性物质。由于其超高的理论容量、较高的工作潜力以及丰富的资源，硅已经被开发为锂离子电池最理想的阳极候选材料。然而，硅材料体积膨胀大，电导率差，阻碍了其实际应用。

近些年来，过渡金属化合物因其独特的物理和化学性能，如过渡金属硫化物和硒化物，它们具有较高的电导率和比电容，在制备超级电容器电极材料方面备受欢迎。到目前为止，过渡金属化合物中，过渡金属硫化物和过渡金属硒化物被广泛用于制备超级电容器的电极材料，如硫化钴、硫化镍，硫化铜和硒化镍钴，硒化镍等。相比于单金属化合物，二元过渡金属化合物具有更多氧化态，因此具有更多的氧化活性位点。和过渡金属氧化物相比，过渡金属硫化物和过渡金属硒化物具有更低的光学带隙，因此具有更高的电导率和灵活性。

将过渡金属化合物和三维硅基体结合，可以获得良好的电化学性能，有利于将其用于储能电极材料或者能量转换电极材料。并且，目前很多的电子元件都是以硅为原料制备的，

以硅为基底制备的过渡金属化合物电极材料有利于和其它电子元件集成，制备微型化一体化器件，有利于对当前对微型化器件的需求做出贡献。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于三维硅基体/过渡金属化合物复合电极材料及其制备方法，使得活性物质直接和硅基底接触，有效的减小了内阻。本发明的另一个目的是将该复合材料用于储能电极材料或者能量转换电极材料等领域。

一种基于三维硅基体/过渡金属化合物复合电极材料，其特征在于，在三维硅基体表面制备过渡金属化合物，所述过渡金属为镍、钴、锰、铁等过渡金属材料中的一种或者多种，所述过渡金属化合物为上述过渡金属化合物的硫化物、硒化物或者二者的混合物。

进一步地，还包括电荷收集层，所述电荷收集层位于三维硅基体与过渡金属化合物层之间，形成“三维硅基体/电荷收集层/过渡金属化合物”结构的复合电极材料，或者位于过渡金属化合物上部，“三维硅基体/过渡金属化合物/电荷收集层”结构的复合电极材料。

进一步地，所述导电材料为导电聚合物、碳层或金属层；所述导电聚合物通过电化学法或者旋涂法制备而成，为聚吡咯、聚噻吩或聚苯胺；所述碳层通过旋涂法、高温煅烧法或者水热法制备而成，为石墨烯、导电碳层或碳纳米管；所述金属层通过CVD法，ALD法或者电化学法制备而成，为金属镍或TiN。