电极材料、超级电容器、电子设备和制备电极材料的方法技术

本申请提供了一种电极材料、超级电容器、电子设备和制备电极材料的方法。该电极材料，包括电荷集流体膜层和分等级阵列双层膜层，该分等级阵列双层膜层包括纳米尺寸片状阵列膜层和微米尺寸花状阵列膜层，其中，该纳米尺寸片状阵列膜层是在该电荷集流体膜层上原位生长的，该微米尺寸花状阵列膜层排列在该纳米尺寸片状阵列膜层的上层。本申请提供的电极材料在电荷集流体膜层上原位生长纳米尺寸片状阵列膜层，其上再生成一层微米尺寸花状阵列膜层，形成分等级阵列双层膜层，分等级阵列双层膜层中具有大量的孔隙结构，能够极大地提高电荷集流体单位面积上的活性物质负载质量以及活性物质与电解液界的接触面积，可以有效提高电极材料的比容量。

【技术实现步骤摘要】
电极材料、超级电容器、电子设备和制备电极材料的方法
本申请涉及储能领域，并且更具体地，涉及电极材料、超级电容器、电子设备和制备电极材料的方法。
技术介绍
超级电容器是近十几年来快速发展的一种新型储能体系。与电池体系相比，其具有快速充放电、长循环寿命等优势。电极材料是超级电容器的重要组成部分，比容量的大小是评价电极材料优劣的关键指标。电极材料的比容量的大小直接影响其对应的超级电容器的能量密度。针对这一点，构筑高理论比容量的法拉第电极材料成为主要的研究方向。现有的电极材料，虽然可以实现快速充放电、长循环寿命等，甚至可以实现柔性可折叠，但电极材料中的活性物质利用率仍然较低，其比容量仍达不到许多应用场景的要求。
技术实现思路
本申请提供一种电极材料、超级电容器、电子设备和制备电极材料的方法，能够有效提高电极材料的比容量，进而提高超级电容器的能量密度。第一方面，提供了一种电极材料，包括电荷集流体膜层和分等级阵列双层膜层，所述分等级阵列双层膜层包括纳米尺寸片状阵列膜层和微米尺寸花状阵列膜层，其中，所述纳米尺寸片状阵列膜层是在所述电荷集流体膜层上原位生长的，所述微米尺寸花状阵列膜层排列在所述纳米尺寸片状阵列膜层的上层。第一方面提供的电极材料在电荷集流体膜层上原位生长纳米尺寸片状阵列膜层，其上再生成一层微米尺寸花状阵列膜层，形成分等级阵列双层膜层，分等级阵列双层膜层中具有大量的孔隙结构，能够极大地提高电荷集流体单位面积上的活性物质负载质量以及活性物质与电解液界的接触面积，可以有效提高电极材料的比容量。另外，第一方面提供的电极材料避免了导电添加剂与粘结剂的使用，能够提高电极材料的电导并提高活性物质所占比例，有助于电极材料比容量的提升。在第一方面的一种可能的实现方式中，所述分等级阵列双层膜层的成分可以为金属氧化物、金属氢氧化物或复合金属氧化物，所述金属氧化物、金属氢氧化物或复合金属氧化物中的金属可以包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Mo中的至少一种。在本可能的实现方式中，过渡金属氧化物、过渡金属氢氧化物或复合过渡金属氧化物的纳米阵列结构具有较高的比表面积，有利于提高电极材料的比容量。在第一方面的一种可能的实现方式中，所述电荷集流体可以为柔性电荷集流体。在本可能的实现方式中，利用活性物质膜层在柔性电荷集流体上原位构筑，实现电池在拉伸、扭转、弯曲等变形下电化学性能不损失。在第一方面的一种可能的实现方式中，所述电荷集流体可以为碳纤维布、碳纤维纸、碳纤维薄膜、石墨烯基电荷集流体、碳纳米管基电荷集流体、金属或合金纤维布、金属或合金网、金属或合金薄膜、泡沫金属中的一种或由至少两种复合而成。在第一方面的一种可能的实现方式中，所述电荷集流体可以具有金属涂层、合金涂层、碳材料涂层或电池体系活性物质涂层，以有利于进一步提高电极材料的比容量。在第一方面的一种可能的实现方式中，所述纳米尺寸片状阵列膜层可以包括相互交织垂直排列的多个纳米尺寸单片，所述纳米尺寸单片的直径可以大于或等于1nm并且小于或等于1000nm，所述纳米尺寸单片的厚度可以大于或等于1nm并且小于或等于100nm，所述纳米尺寸片状阵列膜层的厚度可以大于或等于0.5μm并且小于或等于100μm。在第一方面的一种可能的实现方式中，所述微米尺寸花状阵列膜层可以包括多个微米尺寸单花，所述微米尺寸单花的直径可以大于或等于1μm并且小于或等于10μm，所述微米尺寸花状阵列膜层的厚度可以大于或等于1μm并且小于或等于100μm。在上述可能的实现方式中，活性物质膜层的纳米化和阵列化是提高电极材料的活性比表面积的有效方式，阵列结构内部大量的孔隙能够使得活性物质膜层内部材料也被有效利用，从而提高电极材料的的比容量。在第一方面的一种可能的实现方式中，所述纳米尺寸片状阵列膜层包括相互交织垂直排列的多个纳米尺寸单片，所述微米尺寸花状阵列膜层包括多个微米尺寸单花，所述微米尺寸单花是由所述纳米尺寸单片二次生长后自组装形成的，或者是原位沉积形成的。本可能的实现方式的电极材料的机械稳定性好。在第一方面的一种可能的实现方式中，所述纳米尺寸片状阵列膜层是通过恒电流沉积获得的，所述微米尺寸花状阵列膜层是通过恒电压沉积获得的。第二方面，提供了一种超级电容器，所述超级电容器中包括第一方面及相应的实现方式所述的电极材料。第二方面提供的超级电容器中的电极材料电荷集流体单位面积上的活性物质负载质量高，活性物质与电解液界的接触面积大，具有高的比容量，使得超级电容器具有高的能量密度。在第二方面的一种可能的实现方式中，所述超级电容器为对称超级电容器，所述对称超级电容器的正极和负极均由所述电极材料制作而成。在第二方面的一种可能的实现方式中，所述超级电容器为非对称超级电容器，所述非对称超级电容器的正极由所述电极材料制作而成。本可能的实现方式的非对称超级电容器，通过两极分别使用法拉第电容材料(本申请实施例的电极材料)和双电层电极材料在电势窗上的互补作用，能够极大地提高非对称超级电容器的工作电压及能量密度。第三方面，提供了一种电子设备，所述电子设备中包括第一方面及相应的实现方式所述的电极材料。第四方面，提供了一种制备电极材料的方法，包括：将电荷集流体进行纯化和干燥，形成电荷集流体膜层；将所述电荷集流体膜层置于电解液中进行恒电流沉积，在所述电荷集流体膜层上原位生长纳米尺寸片状阵列膜层；将沉积有所述纳米尺寸片状阵列膜层的所述电荷集流体膜层置于所述电解液中进行恒电压沉积，在所述纳米尺寸片状阵列膜层上形成微米尺寸花状阵列膜层。第四方面提供的制备电极材料的方法，通过恒电流沉积和恒电压沉积在电荷集流体上，获得纳米尺寸片状阵列膜层和微米尺寸花状阵列膜层，能够制备高比容量的电极材料，制备方法简单易行，可以适用于大规模量产。在第四方面的一种可能的实现方式中，所述电解液中包括金属源盐，所述金属源盐用于生成所述纳米尺寸片状阵列膜层和所述微米尺寸花状阵列膜层，其中，所述纳米尺寸片状阵列膜层和所述微米尺寸花状阵列膜层的成分为金属氧化物、金属氢氧化物或复合金属氧化物，所述金属氧化物、金属氢氧化物或复合金属氧化物中的金属包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Mo中的至少一种。在第四方面的一种可能的实现方式中，所述电解液中还包括Na盐。在第四方面的一种可能的实现方式中，所述电解液中包括氯盐、醋酸盐、硝酸盐、硫酸盐中的一种或几种。在第四方面的一种可能的实现方式中，所述恒电流沉积和所述恒电压沉积通过三电极体系实现，其中，以金属铂片作为对电极，以饱和甘汞电极作为参比电极，以待沉积的电荷集流体膜层作为工作电极。在第四方面的一种可能的实现方式中，在所述电解液中，所述工作电极与所述对电极平行相对，所述工作电极与所述对电极的距离为0.2cm。在第四方面的一种可能的实现方式中，所述恒电流沉积的电压范围为大于或等于-1V并且小于或等于1V，所述恒电流沉积的沉积时长大于或等于10s并且小于或等于1000s。在第四方面的一种可能的实现方式中，所述恒电压沉积的电压范围为大于或等于-1.5V并且小于或等于1.5V，所述恒电压沉积的沉积时长大于或等于10s并且小于或等于1000s。在第四方面的一种可能的实现方式中，所述电荷集流体为碳纤维布、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电极材料，其特征在于，包括电荷集流体膜层和分等级阵列双层膜层，所述分等级阵列双层膜层包括纳米尺寸片状阵列膜层和微米尺寸花状阵列膜层，其中，所述纳米尺寸片状阵列膜层是在所述电荷集流体膜层上原位生长的，所述微米尺寸花状阵列膜层排列在所述纳米尺寸片状阵列膜层的上层。

【技术特征摘要】
1.一种电极材料，其特征在于，包括电荷集流体膜层和分等级阵列双层膜层，所述分等级阵列双层膜层包括纳米尺寸片状阵列膜层和微米尺寸花状阵列膜层，其中，所述纳米尺寸片状阵列膜层是在所述电荷集流体膜层上原位生长的，所述微米尺寸花状阵列膜层排列在所述纳米尺寸片状阵列膜层的上层。2.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述分等级阵列双层膜层的成分为金属氧化物、金属氢氧化物或复合金属氧化物，所述金属氧化物、金属氢氧化物或复合金属氧化物中的金属包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn和Mo中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的电极材料，其特征在于，所述电荷集流体为柔性电荷集流体。4.根据权利要求1至3中任一项所述的电极材料，其特征在于，所述电荷集流体为碳纤维布、碳纤维纸、碳纤维薄膜、石墨烯基电荷集流体、碳纳米管基电荷集流体、金属或合金纤维布、金属或合金网、金属或合金薄膜、泡沫金属中的一种或由至少两种复合而成。5.根据权利要求1至4中任一项所述的电极材料，其特征在于，所述电荷集流体具有金属涂层、合金涂层、碳材料涂层或电池体系活性物质涂层。6.根据权利要求1至5中任一项所述的电极材料，其特征在于，所述纳米尺寸片状阵列膜层包括相互交织垂直排列的多个纳米尺寸单片，所述纳米尺寸单片的直径大于或等于1nm并且小于或等于1000nm，所述纳米尺寸单片的厚度大于或等于1nm并且小于或等于100nm，所述纳米尺寸片状阵列膜层的厚度大于或等于0.5μm并且小于或等于100μm。7.根据权利要求1至6中任一项所述的电极材料，其特征在于，所述微米尺寸花状阵列膜层包括多个微米尺寸单花，所述微米尺寸单花的直径大于或等于1μm并且小于或等于10μm，所述微米尺寸花状阵列膜层的厚度大于或等于1μm并且小于或等于100μm。8.根据权利要求1至7中任一项所述的电极材料，其特征在于，所述纳米尺寸片状阵列膜层包括相互交织垂直排列的多个纳米尺寸单片，所述微米尺寸花状阵列膜层包括多个微米尺寸单花，所述微米尺寸单花是由所述纳米尺寸单片二次生长后自组装形成的，或者是原位沉积形成的。9.根据权利要求1至8中任一项所述的电极材料，其特征在于，所述纳米尺寸片状阵列膜层是通过恒电流沉积获得的，所述微米尺寸花状阵列膜层是通过恒电压沉积获得的。10.一种超级电容器，其特征在于，所述超级电容器中包括权利要求1至9中任一项所述的电极材料。11.根据权利要求10所述的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器为对称超级电容器，所述对称超级电容器的正极和负极均由所述电极材料制作而成。12.根据权利要求10所述的超级电容器，其特征在于，所述超级电容器为非对称超级电容器，所述非对称超级电容器的正极由所述电极材料制作而成。13.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备中包括权利要求1至9中任一项所述的电极材料。14.一种制备电极材料的方法，其特征在于，包括：将电荷集流体进行纯化和干燥，形成电荷集流体膜层；将所述电荷集流体膜层置于电解液中进行恒电流沉积，在所述电荷集流体膜层上原位生长纳米尺寸片状阵列膜层；将沉积有所述纳米尺寸片...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨婉璐，李阳兴，刘辰光，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44