一种基于多孔宽禁带半导体材料的高温大功率超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于多孔宽禁带半导体材料的高温大功率超级电容器及其制备方法，它包括正极、负极、隔膜和电解液，正极、负极为多孔宽禁带半导体单晶，正极、负极叠加在一起，正极、负极之间设置有隔膜隔，电容器内部填充电解液，为对称型超级电容器。本发明专利技术的大功率超级电容器同时具有优异的高温稳定性和出色的功率密度，更优的比电容量和高温容量保持率，能够在150℃高温下稳定服役，远高于目前大多数超级电容器使用温度，同时兼具高的能量

【技术实现步骤摘要】
一种基于多孔宽禁带半导体材料的高温大功率超级电容器及其制备方法

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[0001]本专利技术涉及一种基于多孔宽禁带半导体材料的高温大功率超级电容器及其制备方法，属于半导体器件


技术介绍
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[0002]为了减少化学石油的消耗和环境污染，人们对可持续发展型能源的需求日益增长，主要包括风能，太阳能和水能等，但是由于自然型能源的不稳定性，严重的限制了其广泛而持久的应用，所以人们迫切的需要探索一种高效，稳定的储能系统，超级电容器和锂离子电池是目前最有潜力的两类储能体系，相比较于锂离子电池，超级电容器由于其快速的充放电速率，高的功率密度，超长的循环寿命和良好的倍率性等优点，引起了人们的广泛关注。超级电容器是处于传统双电层电容器与锂离子电池之间的一种新型的储能设备，主要的储能机理是依靠电极材料和电解液离子的快的吸/脱附或者是电极表面发生快速的氧化还原反应实现能量的存储。人们对高温超级电容器的需求越来越迫切，为了进一步扩大应用，使其更好的满足在一些极端环境中(例如温度>100℃)储能设备的需求，超级电容器的安全性和电化学性能需进一步提高。
[0003]以氮化铝，碳化硅，氧化镓为代表的第三代半导体材料，具有优异的高温稳定性，在很多性能方面优于目前应用的第一代半导体材料—硅，尤其是在大功率电力电子领域。第三代半导体材料由于其带隙特征又称为宽禁带半导体，具有禁带宽度大，载流子迁移率高，耐酸耐碱耐腐蚀性强，导热性好，电子迁移率高，机械性能优异等优势，特别适用于高温/高压等极端恶劣的条件下，是高温超级电容器的理想候选材料；但是目前在宽禁带半导体在电化学储能的应用中少有报道，主要原因在于其较小的比表面积同时电导率较差，在实际应用中严重的限制了电极材料与电解液的充分接触以及电荷的快速传输，同时电解液与电极材料之间存在较大的表面张力，阻碍了电子/离子的传输，导致能量密度差，不能够满足器件实际应用的需要。因此，在保证宽禁带半导体材料本质的稳定性和大功率性和高倍率的特性，同时进一步增加宽禁带半导体电极材料的比表面积和电导率、增加其能量密度，达到实际应用的可能性至关重要。
[0004]如何获得一种出色的电化学存储性能，同时兼顾优异高温条件下(大于100℃)服役的超级电容器，目前仍然是一个巨大的挑战。

技术实现思路
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[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于多孔宽禁带半导体材料的高温大功率超级电容器及其制备方法。
[0006]本专利技术的大功率超级电容器同时具有优异的高温稳定性和出色的功率密度，更优的比电容量和高温容量保持率，能够在150℃高温下稳定服役，远高于目前大多数超级电容器使用温度，同时兼具高的能量
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功率密度。
cm
‑2，最大功率密度达到67.5mW cm
‑2)。
[0026]2、本专利技术的超级电容器电极材料与电解液接触充分，电解液离子/电子的传输路径短，电荷传输速度快，电子迁移率高，提高了反应动力学和传输速率，在保证高温环境中的结构稳定性和大功率的同时，进一步提高了超级电容器件的能量密度，能够更好的满足超级电容器在极端环境下超高瞬时功率输出/输入的实际应用要求。
[0027]3、本专利技术的超级电容器在不使用粘结剂、导电剂和集流体的前提下，采用一体式电极，能够在高温环境下抵抗大电流的冲击，晶体材料结构保持稳定。避免了在高温环境下，产生活性物质脱落而造成的机构坍塌和电化学性能的弊端。
附图说明：
[0028]图1为原始具有微管结构的N掺杂4H
‑
SiC单晶电极材料的电镜图；
[0029]图2为实施例1制备的具有多孔N掺杂4H
‑
SiC单晶电极材料的扫描电镜图；
[0030]图3为实施例1制备的多孔N掺杂4H
‑
SiC单晶电极材料的X射线衍射图；
[0031]图4为基于多孔N掺杂4H
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SiC单晶片超级电容器在150℃的高温条件下的循环伏安曲线图；
[0032]图5为基于多孔N掺杂4H
‑
SiC单晶片超级电容器在150℃的高温条件下的恒流充放电图。
[0033]图6为基于多孔N掺杂4H
‑
SiC单晶片超级电容器在150℃的高温条件下的高温稳定性能图。
[0034]图7为基于多孔N掺杂4H
‑
SiC单晶片超级电容器在150℃的高温条件下的高温倍率性能图。
具体实施方式
[0035]下面结合具体实施实例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施实例仅用于说明本专利技术而并不用于限制本专利技术的范围。凡根据本专利技术所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本专利技术的保护范围之内。
[0036]实施例1多孔4H
‑
SiC单晶制备
[0037](1)提供具有微管结构的N掺杂4H
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SiC材料，电镜图如图1所示，具有微管结构的N掺杂4H
‑
SiC材料可以有效提高电极材料的比表面积和电导率；将具有微管结构的N掺杂4H
‑
SiC晶圆切割为1
×
1.5cm的长方形晶片,分别置于丙酮、乙醇、去离子水中进行超声，超声时间为30分钟，超声功率为500W；
[0038](2)清洗后的N掺杂4H
‑
SiC晶片浸泡在氢氟酸和乙醇的混合溶液中3分钟，除去表面氧化层，混合溶液为质量浓度40％的氢氟酸溶液与质量浓度99％的乙醇溶液按体积比1：1的比例混合得到；
[0039](3)将NH4HF溶于50mL去离子水中，配制成饱和溶液，将除去氧化层的具有微管结构的N掺杂4H
‑
SiC单晶片作为工作电极，金属Pt电极作为对电极，饱和NH4NF溶液用作刻蚀剂，设置电压为18V，时间为3分钟，进行恒压电化学腐蚀，用于除去4H
‑
SiC单晶表面的帽层结构；
[0040](4)接着将已去掉帽层的4H
‑
SiC单晶作为工作电极，金属Pt电极作为对电极，体积
分数40％氢氟酸：体积分数99％乙醇：体积分数30％双氧水按体积比＝3：6：1充分混合得到的混合液为刻蚀剂，进行恒流电化学腐蚀，设施电流为120mA，刻蚀时间为10分钟，得到多孔N掺杂4H
‑
SiC单晶。
[0041]制备的具有多孔N掺杂4H
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SiC单晶电极材料的扫描电镜如图2所述，从图2中可以看出，孔径分布均匀，X射线衍射图如图3所示。
[0042]实施例2
[0043]同实施例1所述的多孔N掺杂4H
‑
SiC单晶制备，不同之处在于：
[0044]步骤(3)中，恒压电化学腐蚀电压为18V，时间为4分钟，
[0045]步骤(4)中，恒流电化学腐蚀电流为120mA,刻蚀时间为20分钟。
[0046]实施例3
[0047]同实施例1所述的多孔N掺杂4H
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多孔宽禁带半导体材料的高温大功率超级电容器，所述超级电容器包括正极、负极、隔膜和电解液，正极、负极为多孔宽禁带半导体单晶，正极、负极叠加在一起，正极、负极之间设置有隔膜隔，电容器内部填充电解液，为对称型超级电容器，超级电容器能够在150℃高温下稳定服役。2.权利要求1所述的高温大功率超级电容器的制备方法，包括步骤如下：(1)将宽禁带半导体单晶材料切割后进行超声清洗；(2)清洗后的半导体单晶材料浸泡在氢氟酸和乙醇的混合溶液中，除去表面氧化层；(3)以步骤(2)处理后的半导体单晶材料为工作电极，金属Pt为对电极，加入刻蚀剂进行电化学腐蚀处理，电化学腐蚀时间为1
‑
30分钟，得到多孔宽禁带半导体单晶材料；(4)将制得的多孔宽禁带半导体单晶材料清洗、干燥，分别作为正极、负极电极材料，正极、负极叠加在一起，中间由隔膜隔开，填充电解液，组装成对称型超级电容器。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的宽禁带半导体单晶材料为物理气相沉积法(PVT)法得到的N型4H
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SiC晶体、在蓝宝石(Al2O3)衬底上利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)得到的N型GaN薄膜或N型Si单晶晶片。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的超声清洗为将宽禁带半导体单晶片分别置于丙酮、乙醇、去离子水中进行超声，超声时间为30分钟，超声功率为300
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500W。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的混合溶液为质量浓度40％的氢氟酸溶液与质量浓度9...

【专利技术属性】
技术研发人员：王守志，吕松阳，谢雪健，张雷，王国栋，徐现刚，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：