金属氧化物基电容式离子二极管及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种金属氧化物基电容式离子二极管及其制备方法和应用，制备方法包括制备金属氧化物基工作电极和多孔碳基对电极，金属氧化物基工作电极使用具有插层赝电容行为的金属氧化物；配制电解液，电解液的阴阳离子中仅有一类离子可以在金属氧化物中进行存储；将金属氧化物基工作电极和多孔碳基对电极进行组装，并置于电解液中进行封装，得到金属氧化物基电容式离子二极管。本发明专利技术首次提出采用具有插层赝电容行为的金属氧化物材料作为电容式离子二极管的电极材料，并利用其对电解液中阴阳离子的选择性存储行为实现器件单向储能的特性，制备所得金属氧化物基电容式离子二极管具有整流比、质量比电容、体积比电容、单向储能密度均较高的优点。储能密度均较高的优点。储能密度均较高的优点。

【技术实现步骤摘要】
金属氧化物基电容式离子二极管及其制备方法和应用


[0001]本专利技术公开了一种金属氧化物基电容式离子二极管及其制备方法和应用，具体为金属氧化物基电容式离子二极管、制备方法及其在离子/电子耦合电路中的应用，属于电化学储能领域及新兴的离子/电子耦合电路领域。

技术介绍

[0002]电容式离子二极管是一类基于超级电容器的新型电化学功能器件，具有类似于超级电容器的器件结构和半导体二极管的单向导通特性，被认为是构建新型离子电路最具潜力的基础元件，在未来活体诊疗、人机接口及神经网络交互等
有着广阔的应用前景。2019年，德累斯顿工业大学的Stefan Kaskel教授首先提出电容式离子二极管的概念，并利用多孔碳电极对阴阳离子的尺寸筛分效应，构建了第一个电容式离子二极管。得益于微孔碳电极对阴阳离子的差异性存储行为，该电容式离子二极管表现出单向储能的电化学行为，以及与传统半导体二极管类似的单向导通伏安特性。这些特殊的性质有望将传统超级电容器的使用场景拓展到新的
，使其在电能传输、信号传递和逻辑运算等方面发挥重要作用，因此引起了人们的广泛关注。
[0003]然而，上述基于离子筛分效应的电容式离子二极管对多孔碳电极的孔结构有着严格的要求，为了使器件具有较高的整流比，多孔碳电极应具有较为单一的孔径分布，这无疑会大大增加多孔碳电极尤其是纯微孔碳电极的制造成本，同时碳材料有限的质量比电容和较低的堆积密度大大限制了所构筑电容式离子二极管的单向储能密度，不利于电容式离子二极管长时间高效稳定地工作。

技术实现思路
/>[0004]本申请的目的在于，提供一种金属氧化物基电容式离子二极管及其制备方法和应用，从而解决现有电容式离子二极管单向储能密度低、成本高的技术问题。
[0005]本专利技术的第一方面提供了一种金属氧化物基电容式离子二极管的制备方法，包括：
[0006]制备金属氧化物基工作电极和多孔碳基对电极，所述金属氧化物基工作电极使用的金属氧化物为具有插层赝电容行为的金属氧化物；
[0007]配制电解液，所述电解液的阴阳离子中仅有一类离子可以在所述金属氧化物中进行存储；
[0008]将所述金属氧化物基工作电极和所述多孔碳基对电极进行组装，并置于所述电解液中，之后进行封装，得到金属氧化物基电容式离子二极管。
[0009]优选地，所述多孔碳基对电极活性物质的负载量为所述金属氧化物基工作电极活性物质的负载量的1～2倍。
[0010]优选地，制备金属氧化物基工作电极，具体包括：
[0011]将金属氧化物材料与导电剂和粘结剂混合后加入分散剂，得到浆料；
[0012]将所述浆料设置在集流体上，得到金属氧化物基工作电极。
[0013]优选地，所述金属氧化物材料、导电剂、粘结剂的质量比为6～9:1～3:1。
[0014]优选地，所述金属氧化物材料为五氧化二铌、三氧化钼、三氧化钨、二氧化钛中的至少一种。
[0015]优选地，制备多孔碳基对电极，具体包括：
[0016]将多孔碳材料与导电剂和粘结剂混合后加入分散剂，得到浆料；
[0017]将所述浆料设置在集流体上，得到多孔碳基对电极。
[0018]优选地，所述多孔碳材料、导电剂、粘结剂的质量比为6～9:1～3:1。
[0019]优选地，所述电解液中的电解质为无机盐或者有机盐；
[0020]所述电解液的浓度为0.001～10mol/L。
[0021]本专利技术的第二方面提供了一种金属氧化物基电容式离子二极管，其是利用上述金属氧化物基电容式离子二极管的制备方法制备得到的。
[0022]本专利技术的第三方面提供了一种离子/电子耦合电路，该离子/电子耦合电路中使用了上述金属氧化物基电容式离子二极管。
[0023]本专利技术的金属氧化物基电容式离子二极管及其制备方法和应用，相较于现有技术，具有如下有益效果：
[0024]本专利技术首次提出采用具有插层赝电容行为的金属氧化物材料作为电容式离子二极管的电极材料，并利用其对电解液中阴阳离子的选择性存储行为实现器件单向储能的特性，制备所得金属氧化物基电容式离子二极管具有整流比、质量比电容、体积比电容、单向储能密度均较高、成本低的优点，实现了电容式离子二极管综合性能的跨越式提升。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例中金属氧化物基电容式离子二极管的制备方法流程图；
[0026]图2为本专利技术实施例1中五氧化二铌材料的低倍扫描电镜图像；
[0027]图3为本专利技术实施例1中五氧化二铌材料的高倍扫描电镜图像；
[0028]图4为本专利技术实施例1中五氧化二铌材料的X
‑
射线衍射图谱；
[0029]图5为本专利技术实施例1中五氧化二铌电极的循环伏安曲线，其中(a)为扫速为0.5mV s
‑1、0.8mV s
‑1、1.0mV s
‑1时五氧化二铌电极的循环伏安曲线；(b)为扫速为2.0mV s
‑1、5.0mV s
‑1、8.0mV s
‑1时五氧化二铌电极的循环伏安曲线；
[0030]图6为本专利技术实施例1中五氧化二铌电极的恒电流充放电曲线，其中(a)为电流密度为0.1Ag
‑1、0.2Ag
‑1、0.5Ag
‑1、0.8Ag
‑1、1Ag
‑1时五氧化二铌电极的恒电流充放电曲线；(b)为电流密度为1Ag
‑1、2Ag
‑1、3Ag
‑1、4Ag
‑1、5Ag
‑1时五氧化二铌电极的恒电流充放电曲线；
[0031]图7为本专利技术实施例1中五氧化二铌电极的第一类整流比；
[0032]图8为本专利技术实施例1中五氧化二铌电极的第二类整流比；
[0033]图9为本专利技术实施例1中五氧化二铌电极的质量比电容；
[0034]图10为本专利技术实施例1中五氧化二铌基电容式离子二极管的循环伏安曲线。
具体实施方式
[0035]本专利技术的第一方面提供了一种金属氧化物基电容式离子二极管的制备方法，包
括：
[0036]步骤1、制备金属氧化物基工作电极和多孔碳基对电极，其中金属氧化物基工作电极使用的金属氧化物为具有插层赝电容行为的金属氧化物。
[0037]本专利技术实施例中，制备金属氧化物基工作电极可采用两种方案：
[0038]第一种方案：将金属氧化物材料与导电剂和粘结剂以一定比例混合，之后加入一定量分散剂后将浆料设置在集流体上，然后在真空烘箱中充分干燥后裁剪得到金属氧化物基工作电极。
[0039]第二种方案：将金属氧化物材料与导电剂以一定比例混合，之后加入一定量分散剂后，制备自支撑的金属氧化物基工作电极，进而可以利用其组装得到柔性二极管。
[0040]本专利技术实施例中的金属氧化物材料为五氧化二铌(Nb2O5)、三氧化钼(MoO3)、三氧化钨(WO3)、二氧化钛(TiO2)等插层赝电容材料中的至少一种。示例性地，金本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属氧化物基电容式离子二极管的制备方法，其特征在于，包括：制备金属氧化物基工作电极和多孔碳基对电极，所述金属氧化物基工作电极使用的金属氧化物为具有插层赝电容行为的金属氧化物；配制电解液，所述电解液的阴阳离子中仅有一类离子可以在所述金属氧化物中进行存储；将所述金属氧化物基工作电极和所述多孔碳基对电极进行组装，并置于所述电解液中，之后进行封装，得到金属氧化物基电容式离子二极管。2.根据权利要求1所述的金属氧化物基电容式离子二极管的制备方法，其特征在于，所述多孔碳基对电极活性物质的负载量为所述金属氧化物基工作电极活性物质的负载量的1～10倍。3.根据权利要求1所述的金属氧化物基电容式离子二极管的制备方法，其特征在于，制备金属氧化物基工作电极，具体包括：将金属氧化物材料与导电剂和粘结剂混合后加入分散剂，得到浆料；将所述浆料设置在集流体上，得到金属氧化物基工作电极。4.根据权利要求3所述的金属氧化物基电容式离子二极管的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物材料、导电剂、粘结剂的质量比为6～9:1...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰伟，马鸿云，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：