133 / 2019-03-16 14:15:44

CrN纳米结构薄膜的可控制备及其在超级电容器中的应用

全体主题 > 功能薄膜（光、电、磁功能薄膜）

超级电容器，是介于传统电容器和电池之间的新型能源存储装置，因其具有功率密度高、循环寿命长、充放电速度快、成本低及安全可靠等独特的优势，在储能领域引起了极为广泛的关注。然而，能量密度低成为限制其实际应用的最大障碍。电极材料是决定超级电容器性能的关键因素，开发同时兼具高能量密度和高功率密度的超级电容器的核心问题在于高性能电极材料的设计和研究。近几年来，过渡金属氮化物由于其优良的导电性、较高的熔点、良好的化学稳定性及优异的循环稳定性等优点，有望成为下一代高性能超级电容器电极材料。目前过渡金属氮化物的主要制备方法为氨气氛围下对应氧化物前驱体的氮化，但该方法存在以下缺点：1、高温高压；2、涉及有毒气体氨气的使用；3、氮化物表面的氧含量难以控制；4、电极制备过程中需要导电剂和/或粘结剂的添加。基于此，亟需发展过渡金属氮化物电极材料绿色、安全、快速制备的新方法。鉴于磁控溅射镀膜技术具有成膜温度低、沉积速率快、膜/基结合力好、避免使用导电剂、不涉及有毒气体及重复性好等特点，可用于将过渡金属氮化物活性材料直接沉积到基底上用作超级电容器电极。（1）首先采用反应磁控溅射制备CrN薄膜，通过调控工艺参数控制薄膜的结晶程度及孔隙率等微观结构，在1.0 mA cm-2电流密度可以实现12.8 mF cm-2的比电容；大电流循环性能优异，在5.0 mA cm-2电流密度下循环20000次后，容量保持率高达92.1%。（2）在上述研究基础上，采用反应磁控共溅射法制备CrN@Cu纳米复合薄膜，选择性刻蚀去除Cu单质，成功获得多孔CrN薄膜。多孔CrN电极的比电容在1.0 mA cm-2电流密度下达到31.3 mF cm-2，相比CrN电极提升了2.5倍，且5.0 mA cm-2电流密度下经20000次充放电循环后仍保持初始比电容的94%；以多孔CrN薄膜为电极材料组装的对称性超级电容器最大能量密度达14.4  mWh cm-3，最大功率密度达6.6  W cm-3。