[发明专利]三维电极材料及其制备方法、固体超级电容器

说明书

本发明公开了一种三维电极材料，其特征在于，包括：在铝箔上形成的Al纳米钉阵列；在所述Al纳米钉阵列上形成的镍层；在所述镍层上形成的MnO_x纳米钉阵列。其制备方法包括：S101、采用阳极氧化工艺和刻蚀工艺在铝箔上生长Al纳米钉阵列；S102、采用磁控溅射工艺在所述Al纳米钉阵列生长一镍层；S103、采用三电极电沉积工艺在所述镍层上生长MnO_x纳米钉阵列，获得三维电极材料。本发明还公开了一种固体超级电容器，其包括如上所述三维电极材料制备形成的电极。该电极材料应用于固体超级电容器中，提高了电容器的面积比电容，也提高了电容器的倍率特性和循环性能。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，尤其涉及一种三维电极材料及其制备方法，还涉及一种固体超级电容器。

背景技术

超级电容器又叫电化学电容器、电双层电容器，是近年来发展起来的一种基于电极/溶液界面电化学过程，专门用于储能的特种电容器。超级电容器具有较高的比功率，功率密度比传统的电解电容器高上百倍。超级电容器具有较长的循环寿命，充放电循环寿命长达五十万次以上。因此超级电容器是一种理想的二次电源，在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面都有着极其重要和广阔的应用前景。

固体超级电容器是用固体电解质代替了液体电解质，与液态超级电容器相比，固体超级电容器电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点，也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题。

超级电容器的性能与电极材料、电解质及其使用的隔膜有关，而电极材料是其中最主要的因素，因为它是超级电容器的重要依托，电极材料性能的好坏直接影响到电容器性能的好坏。目前用作超级电容器电极的材料主要有三类：碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。其中，最初的金属氧化物材料主要采用氧化钌或氧化铱等贵金属氧化物，RuO₂是最具有代表性的电极材料。贵金属氧化物虽然具有较好的导电性，有较高的比容量和比功率，但是其价格昂贵且对环境有较大污染，目前主要应用于航空航天和军工领域，在工业上大规模的应用尚不能实现。纳米级的锰氧化物，例如纳米二氧化锰，具有比电容较高、资源丰富、价格低廉和环境友好的特点，也成为用来提到贵金属的备选材料之一。现有的将纳米二氧化锰用于制备超级电容器的电极的方法，其主要是将纳米二氧化锰、活性炭和粘结剂(例如聚四氟乙烯)按一定的质量比例混合形成糊状混合物，再将糊状混合物涂抹于泡沫镍集流体上并压片形成超级电容器的电极。这种方法制备得到的纳米二氧化锰电极，虽然具有比较好的导电性和能量密度(能满足超级电容器的性能的要求)，但是通过压片形成的纳米二氧化锰电极的结构，其活性物质的接触面积还较小。因此，如果可以改善纳米二氧化锰电极的结构，增加其活性物质的接触面积，则纳米二氧化锰电极的能量密度应当还有较大的提升空间。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种三维电极材料及其制备方法，该电极材料具有较大的活性物质的接触面积，提高了电极的能量密度；该电极材料应用于固体超级电容器中，提高了电容器的面积比电容，也提高了电容器的倍率特性和循环性能。

为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种三维电极材料，其中，包括：在铝箔上形成的Al纳米钉阵列；在所述Al纳米钉阵列上形成的镍层；在所述镍层上形成的MnO_x纳米钉阵列，x＝1～2。

进一步地，所述Al纳米钉的长度为1～3μm，直径为300～500nm，相邻两个Al纳米钉的间距为1～1.2μm；所述MnO_x纳米钉的长度为1～3.5μm，直径为400～600nm，相邻两个MnO_x纳米钉的间距为1～1.2μm。

进一步地，所述三维电极材料的比表面积为100～200m²/g。

进一步地，所述镍层的厚度为100～500nm。