一种大功率超级电容器用氮化镓电极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种大功率超级电容器用氮化镓电极材料的制备方法，该方法方法先是得到了比表面积大的氮化镓纳米晶材料(二维单晶片和纳米单晶颗粒等)，然后将GaN纳米晶制备得到能量

【技术实现步骤摘要】
一种大功率超级电容器用氮化镓电极材料的制备方法

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[0001]本专利技术涉及一种大功率超级电容器用氮化镓电极材料的制备方法，属于半导体器件


技术介绍
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[0002]目前，由于混合电动汽车，智能电网和便携式电子设备等智能电子器件的广泛应用，迫切需要一种性能更加优异的储能系统。在目前存在的储能器件中，超级电容器因为拥有高的功率密度，快速的充放电速率，良好的倍率性和超长的循环寿命等优点，引起了人们的广泛关注。超级电容器是介于传统电容器与电池之间的一种新型的储能装置，主要的储能机理是依靠电极材料与电解液离子之间的快速的吸/脱附或者电极表面发生快速的氧化还原以实现能量的存储。因此，超级电容器电极材料的性质和结构对超级电容器的性能有着至关重要的影响，因此迫切需要探索一种新型的电极材料，进一步提高超级电容器的性能，以满足人们日益增长的能源要求的需要。
[0003]氮化镓单晶作为第三代半导体材料的代表，具有大功率特性，高压特性，高频特性，可以达到100GHz，耐冲击性和可靠性高，耐酸耐碱耐腐蚀性强，电子漂移饱和速率高，介电常数小，导热性好，宽禁带宽度，可以覆盖红，黄，绿，蓝，紫和紫外光谱范围，以及其高温特性，能够在300℃的高温条件下正常工作(非常适用于航天军事和其他高温环境)等优点。基于n型GaN晶体材料高的载流子浓度、优异的热导率和化学稳定性，因此其可以作为一种性能优异超级电容器的潜在新型电极材料。
[0004]体块GaN单晶虽然有较多优异的特性，但是作为超级电容器的电极材料，由于其比表面积小，限制了其与电解液的充分接触，阻碍了电子/离子的传输，导致了较小的能量密度，严重限制了其实际的应用。与体块GaN单晶相比较，n型GaN纳米晶材料(包括二维单晶片，纳米单晶颗粒等)不仅维持了体块GaN单晶化学性质稳定、大功率性等优异的性能，同时它的二维纳米片或者纳米级颗粒结构显著的增加了比表面积，减少了电解质离子或者电子的迁移路径，促进电导率增加，在保证了较大的功率密度和稳定性的前提下，进一步增加了能量密度，能够更好的满足超级电容器在超高瞬时功率输入和输出的器件中的实际应用要求。
[0005]但是，目前GaN纳米晶材料的制备普遍存在制备工艺复杂繁琐、需要多种设备、成本高、制备周期长等缺陷，不易普及氮化镓纳米晶体的大规模工业化生产，因此，寻找一种简单、快速、低廉的制备高质量的GaN纳米晶并且作为超级电容器的电极材料成为目前的一大难题。

技术实现思路
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[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种大功率超级电容器用氮化镓电极材料的制备方法。
[0007]本专利技术在无需复杂化学反应等制备工艺的条件下，通过简单的球磨技术，得到了
比表面积大的氮化镓纳米晶材料(二维单晶片和纳米单晶颗粒等)，达到了较大的功率
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能量密度，然后将GaN纳米晶制备成超级电容器电极材料，具有良好倍率性和循环稳定性。
[0008]本专利技术是通过如下技术方案实现的：
[0009]一种大功率超级电容器用氮化镓电极材料的制备方法，包括步骤如下：
[0010](1)将氮化镓原料与溶剂，球磨介质均匀混合，放入装有磨球的球磨罐中，并密封，将球磨罐放入高能球磨机中，在500
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1000转/分钟的转速下球磨1.5
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3小时，然后干燥，得到GaN纳米晶；
[0011](2)将纳米晶粉末作为活性物质与导电剂和粘结剂混合后，放入玛瑙研钵中进行充分的研钵，使其混合均匀，得混合粉末；
[0012](3)向混合粉末中加入有机溶剂，进行充分搅拌，得混合浆料，将混合浆料均匀的涂敷在集流体上，真空干燥，得到超级电容器用氮化镓电极材料。
[0013]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的氮化镓原料为HVPE法生长的纯GaN单晶块状颗粒、HVPE法生长的GaN多晶小颗粒原料或电化学腐蚀得到的多孔GaN单晶薄膜。
[0014]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的球磨介质为1M氢氧化钠溶液或直径为1
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2mm的氧化铝微球。
[0015]进一步优选的，步骤(1)中所述的球磨介质为直径为2mm的氧化铝微球。
[0016]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的氮化镓原料与直径为1
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2mm的氧化铝微球的质量比为1：100。
[0017]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述的溶剂为去离子水。
[0018]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，溶剂的用量小于等于球磨罐体积的2/3。
[0019]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，所述的高能球磨机转速为600
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800转/分钟，时间为2
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3小时。
[0020]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，所述的高能球磨机转速为800转/分钟，时间为2.5小时。
[0021]本专利技术利用体块状的GaN颗粒与球磨介质(2mm氧化铝微球)之间的碰撞而产生强烈的摩擦和剪切应力，使原始块状GaN单晶颗粒发生减薄和切削，从而在不破坏原始晶体结构的情况下，得到了比表面积大，厚度薄的GaN纳米晶。
[0022]球磨时间的长短对GaN纳米晶的形貌和结构有着显著的影响，从而进一步影响了超级电容器的电化学性能。如果球磨的时间太短，原始GaN颗粒未发生明显的变化，大多数依然是块状颗粒，具有较小的比表面积，阻碍了超级电容器器件中电解液与电极材料的充分接触，减少了超级电容器的能量密度；如果球磨时间过长，球磨介质和原始材料发生剧烈的碰撞，产生较大的剪切应力，严重的破环了GaN单晶的晶体结构和横向尺寸，造成功率密度的减少。只有在合适的球磨条件下，才能得到能量
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功率密度优异的超级电容器器件。
[0023]本专利技术经过球磨2.5小时得到的GaN纳米晶的厚度为3.528nm
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4.285nm，比表面积为10.2691m2/g，横向尺寸大约在500nm
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1um之间。
[0024]根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述的导电剂为乙炔黑，粘结剂为聚偏氟乙烯，活性物质：导电剂：粘结剂＝8：1：1，研磨时间为0.5小时。
[0025]根据本专利技术优选的，步骤(3)中所述的有机溶剂为N
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甲基吡咯烷酮，用量为0.5mL～0.7mL。
[0026]根据本专利技术优选的，步骤(3)中所述的集流体为不锈钢网，不锈钢网使用之前须用丙酮，乙醇，去离子水进行超声清洗，超声时间为0.5小时，清洗后放于干燥箱中干燥。
[0027]根据本专利技术优选的，步骤(3)中真空环境是指相对压力在
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0.1MPa至
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0.001Mpa温度为60℃的真空条件。
[0028]一种大功率超级电容器用氮化镓电极材料，采用上述方法制备得到。
[0029]一种大功率超级电容器，包括工作电极、对电极、参比电极和电解液，工作电极为上述超级电容器用氮化镓纳米晶电极，对电极为Pt电极、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大功率超级电容器用氮化镓电极材料的制备方法，包括步骤如下：(1)将氮化镓原料与溶剂，球磨介质均匀混合，放入装有磨球的球磨罐中，并密封，将球磨罐放入高能球磨机中，在500
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1000转/分钟的转速下球磨1.5
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3小时，然后干燥，得到GaN纳米晶；(2)将纳米晶粉末作为活性物质与导电剂和粘结剂混合后，放入玛瑙研钵中进行充分的研钵，使其混合均匀，得混合粉末；(3)向混合粉末中加入有机溶剂，进行充分搅拌，得混合浆料，将混合浆料均匀的涂敷在集流体上，真空干燥，得到超级电容器用氮化镓电极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的氮化镓原料为HVPE法生长的纯GaN单晶块状颗粒、HVPE法生长的GaN多晶小颗粒原料或电化学腐蚀得到的多孔GaN单晶薄膜；所述的球磨介质为1M氢氧化钠溶液或直径为1
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2mm的氧化铝微球。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的球磨介质为直径为2mm的氧化铝微球；所述的氮化镓原料与直径为1
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2mm的氧化铝微球的质量比为1：100。4.根据权利要求1所述的制备方法，其...

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