双介质射流等离子体制备柔性超级电容器复合电极的方法技术

本发明专利技术涉及一种双介质射流等离子体制备柔性超级电容器复合电极的方法，包括：将待沉积的碳纳米材料放置于气溶胶发生器内；选定工作气体和高压电源，并调整放电参数和工作气体流速；选定基底材料，放置于等离子体射流管的管口喷嘴下方或一侧；打开高压电源，在等离子体射流管下方或一侧产生等离子体羽，同时设置移动平台的移动路线和移动速度，在基底材料上沉积碳纳米材料；将前驱物放置于气溶胶发生器内，重复步骤2，采用步骤4中移动平台的移动路线，在碳纳米材料上进一步沉积金属氧化物或导电聚合物得到超级电容器复合电极。本发明专利技术具有适合范围广、沉积效果好、操作简便以及节能环保等优势，具有具大的潜在应用价值。

Method for preparing composite electrode of flexible supercapacitor by double medium jet plasma

The invention relates to a method for preparing flexible supercapacitor composite electrode of a double medium plasma jet system includes: carbon nano materials will be placed on the deposition of aerosol generator; selected working gas and high voltage power supply, and adjust the discharge parameters and the working gas flow rate; the selected base material, placed in the plasma jet pipe nozzle the bottom or side; open the high-voltage power supply pipe below or on one side of the plasma jet generated plume, moving route and moving speed and set the mobile platform, the deposition of carbon nano materials on the substrate material; the precursor is placed on the aerosol generator, repeat step 2 steps using mobile route mobile platform in 4, carbon nano materials on further deposition of metal oxides or conducting polymers by super capacitor electrode. The invention has the advantages of wide range, good deposition effect, simple operation, energy saving, environmental protection, etc., and has great potential application value.

【技术实现步骤摘要】
双介质射流等离子体制备柔性超级电容器复合电极的方法
本专利技术涉及一种双介质射流等离子体制备柔性超级电容器复合电极的方法。
技术介绍
近年来，随着柔性电子科学及电子产品小型化技术的快速发展，可穿戴、可折叠、柔性、便携式电子设备越来越受青睐，开发能为之提供能量的轻、薄、柔性的高性能储能器件成为当前学术界和产业界的研究热点，而柔性超级电容器则是其中最具发展潜力的方向之一。许多小型可穿戴智能设备以及各种微型生物植入器件，均要求功能设备在各种形变情况下均可稳定使用，而传统的硬质储能器件一般不能满足这些条件，极大限制了这些微型器件的使用效率和发展。因此在柔性电子产品、可穿戴、微型生物器件等领域，亟需开发与之相匹配的柔性储能器件。柔性超级电容器因其快速充放电、高功率密度、稳定的循环特性、安全性好成为了首选解决方案。对于超级电容器，电极材料及结构对其性能起着决定性作用，而柔性超级电容器对电极材料提出了更高的要求：如更高的稳定性、轻薄、高电化学性能等，因此，研究和开发高能量密度、高导电性、高稳定性和低成本的电极材料是制备高性能柔性超级电容器的关键。目前电极材料的种类主要包括碳材料、金属氧化物和导电聚合物。它们的储能机理不同：碳材料主要是利用电极与电解液接触的界面产生电荷分离形成双电层来存储能量，称为双电层电容。金属氧化物及导电聚合物则主要通过电极材料表面发生快速氧化还原反应来储存电荷，称为法拉第赝电容。在实际应用中，单一的电极材料并不能得到理想超级电容器电极材料的要求，如双电层电容器存在电极面积有限、比电容值低等问题，赝电容器充放电循环寿命较短。复合材料电极结合了各组材料的性能，同时由于协同作用而具备更优的性能，日益成为柔性电容器电极材料的研究重点。当前，基于碳管、石墨烯薄膜或是它们与金属氧化物或导电聚合物的复合结构作为柔性电极的研究层出不穷。柔性电极的制备工艺直接决定了柔性超级电容器性能的优劣。复合电极的制备一般采取两步法，通过化学气相沉积(CVD)、激光刻蚀以及喷墨打印等方法制备碳电极，然后通过CVD、溶液法、电聚合以及原位聚合等方式在碳电极基底上进一步沉积金属氧化物或导电聚合物。化学气相沉积方法需要在高温下进行，对设备有严格的要求。JamesTouretal“Ultrathinplanargraphemesupercapacitors,NanoLett,2011,11:1423-1427.”采用激光刻蚀的方法将聚酰亚胺(PI)薄片表层转化为多孔石墨烯，以固态聚合物(H2SO4+PVA)为电解质，制作的柔性超级电容器电容密度可达9.11mF/cm2。但激光刻蚀步骤繁杂，需要用掩模板在衬底上制造微图案化的技术，通常成本较高，不具有普适性。Kaneretal“Scalablefabricationofhigh-powergraphememicro-supercapacitorsforflexibleandon-chipenergystorage,NatureCommunications,2013”通过在GO薄膜上直接使用通用光盘(DVD)刻录机激光刻绘来获得超级电容器的微电极图案，制备所得的柔性超级电容器的比电容达4mF/cm2，制备过程中避免使用掩模板，降低了成本。Liu等人“Ultraflexiblein-planemicro-supercapacitorsbydirectprintingofsolutionprocessableelectrochemicallyexfoliatedgrapheme,AdvancedMaterials,2016,28(11):2217-2222”采用喷墨打印技术，以电化学剥离石墨烯为墨汁，在不同的基底(纸和柔性PET)上制备了平面电容器。但该方法对油墨的要求极高，另外，由于喷涂过程中油墨的均匀性难以保证喷涂的叉指结构电极的精确度。Pengetal“PengLL,PengX,LiuBR,FengX,MulenK.AdvMater,2015,27:3669-3675.”通过真空过滤制备MnO2/石墨烯复合材料薄膜，通过薄膜转移和切割制得工作电极，测试结果表明，在充放电电流密度为0.2A/g时，比容量为267F/g，经过1000次折叠/展开测试，电容保持在初始值90％以上。综上可以看出，目前柔性电极制备仍然存在导电性不够高、稳定性差、制备条件繁杂、难以实现低成本大面积制备等挑战性问题。因此，亟需开发方法简单、低成本、大面积的制备方法以实现高品质和高性能的柔性电极制备。等离子体被称为物质第四态，由具有极高化学反应活性的粒子(自由基、电子、正离子、负离子等)组成。等离子体技术已经应用到材料表面改性、能源环境和生物医学等领域。在能源环境领域，等离子体技术作为一种有效的分子活性手段，在制备能量转化材料、能量储存材料、燃料电池和制氢等领域应用广泛。大气压低温等离子体远离平衡态，具有高能量密度的电子，同时整个反应体系接近室温，有利于高温薄膜在低温条件下沉积生长。大气压低温等离子体具有非平衡态化学成份以及在任何温度的平衡态沉积条件下都不能得到的晶体形态，如自然界中没有发现的金刚石薄膜。此外，由于低温等离子体独特的鞘层结构，使高能电子束缚在管壁中央，可以有效增加沉积薄膜的速率和致密性。更为重要的是，低温等离子体的活性粒子穿透能力有限，只能作用基底表面几到几百纳米，在实现高性能薄膜沉积和表面改性的同时，又不会改变基底材料的性质，而且对基底材料无选择。基于以上特性，本专利技术提出采用双介质射流等离子体技术制备柔性超级电容器复合材料电极。
技术实现思路
为了解决传统柔性超级电容器电极制备技术的工序复杂，稳定性较差，不利于工业应用的问题，本专利技术提出一种采用双介质射流等离子体制备柔性超级电容器复合电极的方法，目的在于提供一种结构简单，方便实用，稳定性更佳，性能更好的复合电极制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种双介质射流等离子体制备柔性超级电容器复合电极的方法，包括以下步骤：步骤1，将待沉积的碳纳米材料放置于气溶胶发生器内；步骤2，选定工作气体和高压电源，并调整放电参数和工作气体流速；步骤3，选定基底材料，放置于等离子体射流管的管口喷嘴下方或一侧；步骤4，打开高压电源，在等离子体射流管下方或一侧产生等离子体羽，同时设置移动平台的移动路线和移动速度，在基底材料上沉积不同形状/不同面积的碳纳米材料；步骤5，选定前驱物，将所述前驱物放置于气溶胶发生器内，重复步骤2，采用步骤4中移动平台的移动路线，在碳纳米材料上进一步沉积金属氧化物或导电聚合物得到超级电容器复合电极。进一步的，步骤1中待沉积的碳纳米材料为氧化石墨烯、单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。进一步的，选用氧化石墨烯为待沉积的碳纳米材料时，完成步骤4后，选用还原性气体为工作气体，调整放电参数和工作气体流速，采用步骤4中移动平台的移动路线，对沉积的氧化石墨烯薄膜进行还原处理；所选用的还原性气体为氮气或氢气。进一步的，完成步骤5后，还包括将所述超级电容器复合电极做形貌、能谱分析以及电化学特性测试。进一步的，步骤2中所述工作气体为空气、氧气、惰性气体或上述气体的混合气体，气体流速为0L/min～15L/min；步骤2中所述高压电源为高频交流电源、直流电源、脉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双介质射流等离子体制备柔性超级电容器复合电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将待沉积的碳纳米材料放置于气溶胶发生器内；步骤2，选定工作气体和高压电源，并调整放电参数和工作气体流速；步骤3，选定基底材料，放置于等离子体射流管的管口喷嘴下方或一侧；步骤4，打开高压电源，在等离子体射流管下方或一侧产生等离子体羽，同时设置移动平台的移动路线和移动速度，在基底材料上沉积碳纳米材料；步骤5，选定前驱物，将所述前驱物放置于气溶胶发生器内，重复步骤2，采用步骤4中移动平台的移动路线，在碳纳米材料上进一步沉积金属氧化物或导电聚合物得到超级电容器复合电极。

【技术特征摘要】
1.一种双介质射流等离子体制备柔性超级电容器复合电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将待沉积的碳纳米材料放置于气溶胶发生器内；步骤2，选定工作气体和高压电源，并调整放电参数和工作气体流速；步骤3，选定基底材料，放置于等离子体射流管的管口喷嘴下方或一侧；步骤4，打开高压电源，在等离子体射流管下方或一侧产生等离子体羽，同时设置移动平台的移动路线和移动速度，在基底材料上沉积碳纳米材料；步骤5，选定前驱物，将所述前驱物放置于气溶胶发生器内，重复步骤2，采用步骤4中移动平台的移动路线，在碳纳米材料上进一步沉积金属氧化物或导电聚合物得到超级电容器复合电极。2.根据权利要求1所述的双介质射流等离子体制备柔性超级电容器复合电极的方法，其特征在于，步骤1中待沉积的碳纳米材料为氧化石墨烯、单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。3.根据权利要求2所述的双介质射流等离子体制备柔性超级电容器复合电极的方法，其特征在于，选用氧化石墨烯为待沉积的碳纳米材料时，完成步骤4后，选用还原性气体为工作气体，调整放电参数和工作气体流速，采用步骤4中移动平台的移动路线，对沉积的氧化石墨烯薄膜进行还原处理；所选用的还原性气体为氮气或氢气。4.根据权利要求1所述的双介质射流等离子体制备柔性超级电容器复合电极的方法，其特征在于，完成步骤5后，还包括将所述超级电容器复合电极做形貌、能谱...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑞雪，邵涛，田思理，张帅，章程，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11