SiC纳米孔阵列在超级电容器中的应用制造技术

本发明专利技术涉及SiC纳米孔阵列在超级电容器中的应用，属于纳米材料技术领域。所述的超级电容器的电极由SiC纳米孔阵列一体化制成。所述的SiC纳米孔阵列的相成分为4H‑SiC，所述的SiC纳米孔阵列的纳米孔为竖直孔道结构，孔直径为5‑40nm，孔长为8‑20μm。本发明专利技术中SiC纳米孔阵列电极材料具有大比表面积、较好导电性以及化学稳定性和热稳定性，在较宽的温度条件下都具有较高的循环稳定性，因此，将SiC纳米孔阵列一体化制成电极用于超级电容器中可在保证超级电容器高比电容的同时提高其在宽温条件下的循环温度性。

【技术实现步骤摘要】
SiC纳米孔阵列在超级电容器中的应用
本专利技术涉及SiC纳米孔阵列在超级电容器中的应用，属于纳米材料

技术介绍
全球经济的快速发展加速了能源的消耗，由此带来的化石能源枯竭和环境污染问题，已经成为目前人类面临的严峻问题。为保证人类社会的可持续发展，可再生的清洁能源(如太阳能，风能，潮汐能等)越来越受到关注。然而，自然条件以及地理因素对这些能源的持续供应影响很大。因此，开发高性能的能量转换和存储设备受到了人们的高度重视，目前已经投入了大量的资源研究廉价、高性能、安全、可靠的能源存储设备。在这些设备中，超级电容器被认为是一种理想的具有快速充放电特性的环保器件。碳化硅(SiC)是一种重要的第三代宽禁带半导体,具有系列优良的特性,包括高电子迁移率、高击穿电场强度、高热导率、优异的机械性能,优良的耐辐射性能，使SiC材料广泛应用于高温高压等恶劣服役条件下的电子器件中。在超级电容器中，由SiC材料制备的超级电容器电极已经展现出优异的电化学性能。Alper等报道的SiC复合Si纳米线电极，比电容达为1.7mFcm-2，可稳定循环充放电上千次。Chen等人报道N掺杂SiC纳米阵列作为超级电容器电极，其比电容为4.7mFcm-2，并且可以在高达30Vs-1的超高速率下运行。这些研究结果表明，SiC纳米材料具有优异的电化学性能，在超级电容器电极材料应用方面展现出巨大的潜力。然而，目前关于SiC超级电容器电极的测试研究只局限在常温(25℃左右)条件下进行。而在实际应用中，由于使用环境温度复杂多变，如季节变化引起的冷热交替，设备启停后温度的变化等，都会引起电容器工作环境温度剧烈变化。这些不利因素都会导致电容器性能的急剧下降，缩短器件使用寿命。因此，开发具有宽温适用性的高性能超级电容器电极材料，以成为目前亟待解决的科学问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种在宽温条件下具有较好循环稳定性的SiC纳米孔阵列电极，可以有效地应用在超级电容器中。本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：SiC纳米孔阵列在超级电容器中的应用，超级电容器的电极由SiC纳米孔阵列一体化制成。本专利技术将具有大比表面积、较好导电性以及化学稳定性和热稳定性的SiC纳米孔阵列采用一体化设计成电极，即集流体和活性物体一体化设计，使活性物质与集流体热膨胀系数匹配，不易脱落，同时由于SiC纳米孔阵列电极材料在较宽的温度条件下都具有较高的循环稳定性，因此将SiC纳米孔阵列一体化制成电极用于超级电容器可在保证超级电容器具有较高比电容的同时提高其在宽温条件下的循环温度性。作为优选，所述的SiC纳米孔阵列的相成分为4H-SiC。进一步优选，所述的SiC纳米孔阵列为N掺杂SiC纳米孔阵列，N的掺杂量为8-10at.％。N的掺杂量在8-10at.％下能进一步保证晶片的导电性。作为优选，所述的SiC纳米孔阵列的纳米孔为竖直孔道结构。竖直孔道结构的SiC纳米孔阵列能缩短电解质离子输运路径。作为优选，所述的SiC纳米孔阵列的孔直径为5-40nm，孔长为8-20μm。孔径太小会使倍率性能急剧下降，而孔径太大则会降低比表面积，会影响电化学性能。作为优选，所述的SiC纳米孔阵列由如下方法制成：将SiC晶片切成需要的尺寸，分别在酒精、去离子水中超声清洗，然后在含有HF酸的乙醇溶液中浸泡，接着干燥，再将清洗干燥后的SiC晶片背面贴上PVC耐酸保护胶，最后以SiC晶片作阳极，碳板作阴极，在刻蚀液中，用脉冲电源阳极氧化刻蚀6-10分钟得到SiC纳米孔阵列。进一步优选，所述的SiC晶片为工业级(表面划痕累计长度＜1条直径，且个数≤3条。微管密度≤1个cm-2)。进一步优选，脉冲电源占空比为50％，频率1-1.5MHz。进一步优选，脉冲电源以恒定的电流密度120-200mAcm-2进行刻蚀。进一步优选，刻蚀液为氢氟酸、乙醇、双氧水的混合液，氢氟酸、乙醇、双氧水三者的体积比为(3-8)：6：1。在刻蚀液中HF酸量太大刻蚀会不好控制，制得的SiC纳米孔阵列不是竖直孔结构，而若HF酸量太少，刻蚀速度太慢，且无论HF酸量过大或过少，都会影响最终纳米孔阵列的排列效果，因此为了刻蚀出更规则的纳米孔阵列形貌，氢氟酸、乙醇、双氧水三者的体积比需要控制在(3-8)：6：1。将SiC纳米孔阵列夹在电极夹上，在三电极体系下，以Ag/AgCl电极为参比电极，铂片电极为对电极，2MKCl溶液为电解液，对SiC纳米孔阵列电极材料进行电化学性能测试，测得结果为：扫速从10mVs-1到500mVs-1，SiC纳米孔阵列电极的比电容从16mFcm-2降至8mFcm-2。SiC纳米孔阵列电极在室温条件下充放电10000次后，电容保留率不低于96％；SiC纳米孔阵列电极在-10℃条件下充放电11000次后，电容保留率不低于97.3％；SiC纳米孔阵列电极在60℃条件下充放电11000次后，电容保留率为96.8％；SiC纳米孔阵列电极在-10℃和60℃交替变化的变温条件下充放电11000次后，电容保留率不低于95.5％。本专利技术中的SiC纳米孔阵列具有较大的比表面积、较好的导电性能以及化学稳定性和热稳定性，SiC纳米孔阵列作为电极材料时，与常温相比，SiC纳米孔阵列电极材料在高温条件下的比电容变化略有提高，且循环稳定性变化很小；低温条件下比电容变化有所降低，且降低的幅度较小，循环稳定性较常温略有提高；在高低温交替变换的变温条件下，电极材料受到反复的冷热冲击后，仍能够保持较高的循环稳定性。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1.本专利技术中SiC纳米孔阵列电极材料具有将具有大比表面积、较好导电性以及化学稳定性和热稳定性，在较宽的温度条件下都具有较高的循环稳定性，因此，将SiC纳米孔阵列制成电极用于超级电容器中可在保证超级电容器高比电容的同时提高其在宽温条件下的循环温度性。2.本专利技术电极采用SiC纳米孔阵列一体化制成，即集流体和活性物体一体化设计，使活性物质与集流体热膨胀系数匹配，不易脱落，进一步提高电极的性能和使用寿命，进而提高超级电容器的使用寿命。附图说明图1为本专利技术实施例1中制得的一体化单晶SiC纳米孔阵列结构研磨后的X射线衍射(XRD)图；图2本专利技术实施例1中制得的一体化单晶SiC纳米孔阵列结构的扫描电镜(SEM)图；图3本专利技术应用实施例1中SiC纳米孔阵列结构电极的比电容与扫速关系曲线；图4本专利技术应用实施例1中SiC纳米孔阵列结构电极的循环稳定性曲线；图5本专利技术应用实施例2中SiC纳米孔阵列电极在-10℃和100mVs-1条件下测得的循环伏安曲线。图6本专利技术应用实施例2中SiC纳米孔阵列电极在-10℃和100mVs-1条件下，以循环伏安法测得的电极循环稳定性曲线。图7本专利技术应用实施例3中SiC纳米孔阵列电极在60℃和100mVs-1条件下测得的循环伏安曲线。图8本专利技术应用实施例3中SiC纳米孔阵列电极在60℃和100mVs-1条件下，以循环伏安法测得的电极循环稳定性曲线。图9为本专利技术应用实施例4中SiC纳米孔阵列电极在60℃和-10℃交替变化的变温条件下，采用循环伏安法，在100mVs-1的扫速下测得的电极循环稳定性曲线。具体实施方式以下是本专利技术的具体实施例，并结合附图说明对本专利技术的技术方案作进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.SiC纳米孔阵列在超级电容器中的应用，其特征在于，超级电容器的电极由SiC纳米孔阵列一体化制成。

【技术特征摘要】
1.SiC纳米孔阵列在超级电容器中的应用，其特征在于，超级电容器的电极由SiC纳米孔阵列一体化制成。2.根据权利要求1所述的SiC纳米孔阵列在超级电容器中的应用，其特征在于，所述的SiC纳米孔阵列的相成分为4H-SiC。3.根据权利要求1所述的SiC纳米孔阵列在超级电容器中的应用，其特征在于，所述的SiC纳米孔阵列的纳米孔为竖直孔道结构。4.根据权利要求1所述的SiC纳米孔阵列在超级电容器中的应用，其特征在于，孔直径为5-40nm，孔长为8-20μm。5.根据权利要求1或2或3或4所述的SiC纳米孔阵列在超级电容器中的应用，其特征在于，所述的SiC纳米孔阵列由如下方法制成：将SiC晶片切成需要的尺寸，分别在酒精、去离子水中超声清洗，然后在含有HF酸的乙醇溶液中浸泡，接着干燥，再将清洗干燥后的SiC晶片背面贴上PVC耐酸保护胶，最后以SiC晶片作阳极，碳板作阴极，在刻蚀液中，用脉冲电源阳极氧化刻蚀6-10分钟得到SiC纳米孔阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈善亮，李维俊，刘乔，杨为佑，
申请(专利权)人：宁波工程学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33