[发明专利]一种电极材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种电极材料的制备方法，所述电极材料为超级电容器用三元过渡金属氮化物电极材料，涉及三元过渡金属氮化物材料及其制备并用作超级电容器的电极材料。采用等离子体清洗、基体偏压自刻蚀和脉冲反应磁控共溅射相结合，通过优化各种工艺参数控制和掺杂不同过渡金属元素(V、Nb、Ti)，在碳纸表面制备出具有高电导率、高容量和长寿命的超级电容器电极材料。

技术领域

本发明涉及电极材料领域，尤其是超级电容器电极材料的制备方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展和化石燃料的急剧消耗，寻找清洁和可再生的新能源迫在眉睫。所有能够从自然界获得的清洁能源，均需转化为其他形式(主要是电能)来进行存储。由于受到气候、季节和地域的限制，所转化电能的连续性和稳定性无法得到根本保证，因此需要发展新型、高效、可靠的电能储存系统。众多储能装置中，超级电容器以高功率密度、长循环寿命、快速充放电、良好的倍率性能和低温性能以及成本低等独特的优势受到广泛关注。然而，较低的能量密度难以满足各种电子设备对长续航时间的需求，成为制约其广泛应用的主要瓶颈。

电极材料是决定超级电容器性能的关键因素，开发兼具高能量密度和高功率密度的超级电容器的核心问题在于高性能电极材料的设计和研究。近几年来，过渡金属氮化物具有优良的导电性、较高的熔点和良好的化学稳定性等独特优点，且兼具双电层电容器电极材料优异循环稳定性和法拉第赝电容器电极材料高能量密度等特性，已经成为新一代可供选择的高性能超级电容器电极材料。其中，CrN具有较高的理论容量值，在超级电容器领域展现出很大的研究价值和广阔的应用前景。研究表明，过渡金属在二元过渡金属氮化物母体晶格的掺杂能够改变其物理化学属性，使得三元过渡金属氮化物具有更高的导电性和更丰富的氧化还原活性位点，进而有效提升过渡金属氮化物电极的电化学能量储存性能。因此，价态丰富的V、Nb、Ti有望作为掺杂元素促使内在缺陷的引入和电子密度的增加，实现CrN电极电化学性能的有效提升。目前过渡金属氮化物的主要制备方法为氨气气氛下对应金属氧化物、氢氧化物和氯化物的高温氮化，反应通常不彻底，表面氧含量难以控制，导致导电性、热稳定性及机械稳定性衰减；同时，所得产物基本上为粉末，电极制备过程中需要导电剂和/或粘结剂的添加，无法研究电极材料的本质属性，且会造成活性位点钝化和电化学反应死区的出现。磁控溅射作为绿色镀膜技术具有成膜温度低、沉积速率快、重复性好、膜/基结合力强、避免导电剂使用、不涉及有毒气体等优势，深受超级电容器领域研究者的青睐，已在制备自支撑过渡金属氮化物电极材料方面得到广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种电极材料的制备方法。

本发明提供的技术方案如下，所述电极材料为三元过渡金属氮化物电极材料，其制备方法包括以下步骤：

1)采用等离子清洗碳纸基体，去除碳纸表面的污染物，增加碳纸表面含氧官能团，从而改善碳纸的亲水性，得到基体A；

2)对基体A进行基体偏压自刻蚀，是通过在碳纸基体上施加负偏压，产生Ar等离子体轰击碳纸表面，增加碳纸表面的粗糙度，提高电极材料在碳纸表面的结合强度，得到基体B；

3)对基体B的表面进行磁控溅射，得到电极材料；所述磁控溅射的靶材为Cr靶和过渡金属元素靶材；所述过渡金属元素选自V、Nb或Ti中的其中一种；所述磁控溅射的气氛为N₂和Ar。

在推荐的实施方式中，步骤1)中，所述的等离子清洗，是通过CF₄/O₂气氛产生等离子，清洗碳纸基体。经过工艺优化后的等离子清洗参数为：ICP源功率为250W-300W、高偏压电源功率为100-150W，CF₄流量为10sccm-15sccm，O₂流量为15sccm-20sccm、压强为0.25Pa-0.5Pa。