[发明专利]一种基于氧化铝有序纳米孔结构的电容器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子材料元件领域，具体涉及基于有序多孔氧化铝纳米材料的电容器的制备方法。 

背景技术

电容器作为应用最为广泛的储能器件，随能源系统需求的发展也受到了严峻的挑战。传统的静电电容器，其工作机理基于正负电极存储电荷并快速的电荷释放，因此电容器具有较高的功率密度。但是，由于对于整个电容器存储的电荷只有表面电荷被使用，因此这种电容器的能量密度密度不高。近十几年来，超级电容器（也叫电化学电容器）的发展迅猛，电化学超级电容器通过双电层（或法拉第效应）存储电荷，使得电极界面上具有较大的能量密度。但是由于电容器的工作需要离子的迁移（或电极界面的氧化还原过程），使得电化学电容器的功率密度较低，相比传统的静电电容器也还存在一定的差距。因此，开发兼具高功率密度和高能量密度特点的储能电容器是下一代储能系统发展的重点方向，也是提高我国能源发展水平及能源利用率的关键技术。

随着社会科技的发展对高效、清洁能源的需求，开发长循环寿命，高储能密度的储能器件一直是诸多领域研究者关注的热点。储能器件作为能源系统中占据最大比例重量与体积的部件，其储能密度的提高意义重大，新型储能器件的发展支撑着能源系统向小型化、轻量化发展。与电化学电容器相比，静电电容器目前的能量密度较低，一方面是工作机理限制了其能量密度进一步的提高，另一方面是由于缺乏有效的组装手段难以获得高比容量的电容器结构。目前，高功率密度是静电电容器固有的优点，但较低的能量密度大大限制了传统静电电容器的发展及使用范围，要突破静电电容器使用范围并获得更好的发展，必须提高电容器的能量密度，通过能量密度的提高来满足各种能源系统对高性能储能器件要求。因此，在自身优势的基础上如何通过与新型材料及器件结构技术相结合来提高电容器的能量密度，是传统静电电容器发展函待解决的问题，同时也为其发展提供了契机。

随纳米技术的发展，目前下一代储能系统对微/纳米尺度储能器件的需求越来越迫切，这必然要求发展能为MEMS和纳米电子线路提供能源的纳米电池或电容器，而目前的纳米储能电容器在尺寸和储能密度上远未达到要求。近10年来随纳米技术的发展，各种新型的纳米材料如：碳纳米管、石墨烯等新颖的电子材料被应用于高性能的储能器件中，由于这类纳米材料具有较大的比表面积及高的表面、界面活性，通过超薄化的界面结构及器件结构的微型化极大的提高了储能电容器（尤其是超级电容器）的性能，同时这些纳米材料的使用也为构筑纳米尺度的储能电容器提供了重要的技术支撑。但是，目前有关纳米结构材料应用于电容器的研究大多集中于电化学电容器方面，而在传统的静电电容器方面的报道较少。

由于纳米结构尤其是纳米多孔结构拥有巨大的比表面积，因此一种有效的方法是在开放的纳米结构内部构筑大面积的超薄器件结构。因此针对静电电容器的微/纳米化，采用高密度薄膜及界面体系的器件结构为主要的探索方向。近年来用有序阵列化的纳米结构来构筑纳米静电电容器已有报道。Shelimov等人首先在AAO模板中构筑了金属-绝缘体-金属（MIM）结构的电容器，电容器的容量达到了13μF/cm²。Sohn等人也采用多孔氧化铝模板制备了一种MIM电容器器阵列结构，并采用碳纳米管作为电容器的电极材料。国内刘玲等人通过在AAO模板内组建导电聚合物电极，获得了聚吡咯（PPy）/TiO₂/PPy电容器，利用导电聚合物纳米结构的快速氧化还原过程获得了充放电性能良好的电容器，可在纳米微机电系统和纳米电子线路系统的化学电源中有良好的应用前景。

最近，马里兰大学的Banerjee等人ALD沉积技术在多孔氧化铝纳米结构中制备超薄金属-绝缘体-金属电容器及阵列结构。这种高度有序的阵列结构具有较大的比电容器，大大超过了以前所报道的在多孔模板中制备的纳米静电电容器的比容量。所报道的电容器容量最大达到了约100μF/cm2，其功率密度（>1×106 W kg-1）达到了静电电容器的水平，而能量密度（0.7 Wh kg-1）接近电化学超级电容器的水平，这种电容器阵列结构同时具有高的能量密度和功率密度的优点，可以作为一种新颖的具有高释放密度的储能电容器。但是目前这种纳米电容阵列由于尺寸太小还不能储存较多能量，同时多个阵列结构的互联也存在一定问题，如何保证扩大比例同时所有电容器正常工作还有待进一步研究。另外，目前电极与介质层间的接触电阻较大，影响了电容器的等效串联电阻（ESR），如何有效降低电容器的ESR值也是该类电容器急需解决的问题。