一种基于碳化硅单元层材料的混合超级电容器制造技术

本发明专利技术涉及新能源的技术领域，具体涉及一种基于碳化硅单元层材料的混合超级电容器，由正极、负极、电解液和隔膜组成，所述正极由重掺杂金属锂和钠元素的碳化硅单元层的活性电极材料制备而成，电解液为六氟磷锂、LiAlClO4、Li(CF3SO2)2、碳酸酯、氟代碳酸乙烯酯、硫酸乙烯酯、NaCF3SO3、四乙二醇二甲醚中的至少三种的混合物。本发明专利技术采用碳化硅单元层作为正极材料的一部分，纳米碳化硅能量密度大，可以大规模储锂，具有很高的比容量，尤其是可以嵌入大量的离子使碳化硅单元层成为一种可以存储高密度电荷的载体，使超级电容器具有更高的能量密度。度。度。

A hybrid supercapacitor based on SiC cell layer material

【技术实现步骤摘要】
一种基于碳化硅单元层材料的混合超级电容器


[0001]本专利技术涉及新能源的
，具体涉及一种基于碳化硅单元层材料的混合超级电容器。

技术介绍

[0002]超级电容器由于具有高的功率密度且其在几十万次充放电后仍然保持80％的功率密度受到重视，但其能量密度较低。为提高其能量密度，一般采用双电层技术制造电极。然而，现有材料能量密度较低，如含石墨烯电极，小于80Wh/kg，能量密度不能满足电动汽车和其它系统的应用要求。如果能够用能量密度大的材料辅之以合适的结构，那么，可以得到能量密度和功率密度都大的超级电容器是可行的。超级电容器结构构成需要电解液、电极和隔膜，其构造与电池有相似之处。如果能够采用锂离子电解液并能实现锂离子电池的模式，那么，可以实现大的能量密度和功率密度超级电容器。但一般活性材料的能量密度都较小。
[0003]在硬度高、难于研磨的材料应用中，粉碎是一个难点。激光切割技术用于材料粉碎可望带来新的工程应用。激光可以雾化晶体材料为微米级粉体，由于激光斑束直径在1～5um级，会造成颗粒状的不均匀，且不能控制切割的粒径。激光对微米级及以上尺度的粉体颗粒不能有效粉碎。利用清洁能源是一项未来社会的选项，太阳能发电和风力发电、水力发电等非燃煤技术获得清洁能源，及时得到存储以便于使用。现有电池的能量密度、寿命及安全性有待提高。研究表明纳米级碳化硅具有储锂活性。而体材料碳化硅就不具备这样的性能了。
[0004]均匀的纳米碳化硅大规模制备难于控制，工艺复杂，且耗能较高。如果用体材料碳化硅晶体制备成纳米级碳化硅粉体，其大规模存储锂离子特性可以使成为锂离子电池的活性材料，可大大降低纳米碳化硅成本。采用激光纳米束阵列切割技术粉碎碳化硅体材料，可低成本大规模制备纳米碳化硅粉体。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于碳化硅单元层材料的混合超级电容器，纳米碳化硅能量密度大，可以大规模储锂，具有很高的比容量，可以作为一种存储高密度电荷的载体，使超级电容器具有更高的能量密度。
[0006]本专利技术实现目的所采用的方案是：一种基于碳化硅单元层材料的混合超级电容器，由正极、负极、电解液和隔膜组成，所述正极由重掺杂金属锂和钠元素的碳化硅单元层的活性电极材料制备而成，电解液为六氟磷锂、LiAlClO4、Li(CF3SO2)2、碳酸酯、氟代碳酸乙烯酯、硫酸乙烯酯、NaCF3SO3、四乙二醇二甲醚中的至少三种的混合物。
[0007]优选地，所述负极为碳化硅非活性电极、采用金属锂化和钠化的石墨烯的电容式电极、纳米碳化钛电极、碳化铝材料电极中的任意一种。
[0008]优选地，所述正极掺杂金属元素还包括镍元素。
[0009]优选地，该混合超级电容器充放电循环周期100000次，能量密度达到105Wh/kg，能量密度保持率为94.00％，功率密度达到21870W/kg。
[0010]优选地，所述碳化硅单元层的切割方式包括以下步骤：
[0011](1)以晶片为衬底，用纳米级激光束烧蚀衬底，形成贯穿的纳米级孔洞阵列；
[0012](2)将微米激光穿过所述步骤(1)中设置有孔洞阵列的衬底，穿过孔洞的激光即成为纳米级的光斑阵列，其它部分的光受衬底影响成为强度减弱的光，即得到微米激光经分割后的纳米激光束阵列；
[0013](3)采用所述步骤(3)得到的纳米激光束阵列辐射碳化硅，移动纳米激光束阵列或碳化硅，切割得到碳化硅单元层。
[0014]优选地，所述步骤(1)中，晶片为薄金刚石晶片、碳化硅晶片、氮化硼晶片中的任意一种，所述晶片的厚度为500～50000nm；孔洞阵列中，相邻孔洞之间的间隔为1～10nm。
[0015]优选地，所述步骤(2)中，微米激光的发射器与衬底之间的距离为1～50mm；微米激光为脉冲激光或连续激光，波长为514～335nm，所述脉冲激光的光强度为10
19
～10
22
W/cm2；所述连续激光的能量密度为800
‑
100J/cm3。
[0016]优选地，所述步骤(3)中，先在碳化硅表面镀设吸收膜，再进行激光辐照；所述吸收膜为镁、钠、钴、锂中的至少一种。
[0017]优选地，所述步骤(3)中，碳化硅单元层为两层碳原子层夹一层硅原子层的碳化硅单元层或两层硅原子层夹一层碳原子层的层状碳化硅单元层。
[0018]本专利技术基于一种把体材料碳化硅晶通过把强激光分隔为纳米激光束阵列，用此来切割碳化硅晶体，并达到碳化硅单元层的厚度，同时，在切割过程中对碳化硅单元层实现不同程度的金属掺杂。达到对碳化硅掺杂的目的。因为碳化硅体材料掺杂困难，采用此方法可以有效掺杂。
[0019]本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0020]本专利技术采用碳化硅单元层作为正极材料的一部分，纳米碳化硅能量密度大，可以大规模储锂，具有很高的比容量，尤其是可以嵌入大量的离子使碳化硅单元层成为一种可以存储高密度电荷的载体，使超级电容器具有更高的能量密度。
附图说明
[0021]图1混合型重掺杂锂和钠金属元素的碳化硅单元层/碳化硅单元层超级电容器结构图；
[0022]图2混合型重掺杂锂和钠金属元素的碳化硅单元层/碳化硅单元层超级电容器充放电的容量与电压图；
[0023]图3碳化硅单元层透射电镜形貌像；
[0024]图4锂和钠重掺杂碳化硅单元层/碳化硅单元层超级电容器时序电压图；
[0025]图5重掺杂锂、钠和镍的碳化硅单元层/碳化铝混合超级电容器结构图。
具体实施方式
[0026]为更好的理解本专利技术，下面的实施例是对本专利技术的进一步说明，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0027]混合型超级电容器：一种混合型超级电容器中，一极采用电池电极并通过电池电化学反应来储存和转化能量，另一极则通过双电层来储存能量。另一种超级电容器是两电极均采用电池型电极，但能量密度不同，超级电容器性能也不同。
[0028]碳化硅纳米材料：指最小尺度在0.35～100nm的碳化硅晶体。
[0029]碳化硅单元层：指硅原子层和碳原子层的硅原子和碳原子之间以极性共价键(硅原子和碳原子堆垛的sp3杂化键)结合堆垛形成的双层或三层原子晶体，可以视为碳化硅晶体的单元层晶体，可以是一维或二维碳化硅晶体。
[0030]纳米线碳化硅颗粒粉体：在激光分割下，可以得到截面最大尺度在0.35～500nm，长度在200nm～20um的纳米线。
[0031]锂钠合金：用锂金属和钠金属进行合金冶炼，随锂含量不同形成不同锂占比(原子重量百分比)的锂钠金属合金。
[0032]实施例1
[0033]称量碳化硅砂100g，置入王水中浸泡72小时。浸泡后取出，用去离子水冲洗10分钟；在真空干燥箱在120℃下干燥10小时；取出分10份，每份10g，分别进行激光纳米束切割；石墨样品舟中放入10g清洗好的碳化硅砂样品，置入不锈钢圆筒反应室中，反应室底座中心的样品舟槽底部加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于碳化硅单元层材料的混合超级电容器，由正极、负极、电解液和隔膜组成，其特征在于：所述正极由重掺杂金属锂和钠元素的碳化硅单元层的活性电极材料制备而成，电解液为六氟磷锂、LiAlClO4、Li(CF3SO2)2、碳酸酯、氟代碳酸乙烯酯、硫酸乙烯酯、NaCF3SO3、四乙二醇二甲醚中的至少三种的混合物。2.根据权利要求1的所述的基于碳化硅单元层材料的混合超级电容器，其特征在于：所述负极为碳化硅非活性电极、采用金属锂化和钠化的石墨烯的电容式电极、纳米碳化钛电极、碳化铝材料电极中的任意一种。3.根据权利要求1的所述的基于碳化硅单元层材料的混合超级电容器，其特征在于：所述正极掺杂金属元素还包括镍元素。4.根据权利要求1的所述的基于碳化硅单元层材料的混合超级电容器，其特征在于：该混合超级电容器充放电循环周期100000次，能量密度达到105Wh/kg，能量密度保持率为94.00％，功率密度达到21870W/kg。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的基于碳化硅单元层材料的混合超级电容器，其特征在于：所述碳化硅单元层的切割方式包括以下步骤：(1)以晶片为衬底，用纳米级激光束烧蚀衬底，形成贯穿的纳米级孔洞阵列；(2)将微米激光穿过所述步骤(1)中设置有孔洞阵列的衬底，穿过孔洞的激光即成为纳米级的光斑阵列，其它部分的光受衬底影响成为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泽森，范例，张洪涛，
申请(专利权)人：武汉楚能电子有限公司，
类型：发明
国别省市：