209 / 2021-04-07 16:29:34

纳米结构氮化物薄膜电极的构筑及其超级电容性能研究

磁控溅射；薄膜电极；纳米多孔结构；超级电容器；

随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，新型能源的转换利用与高效存储技术已成为目前科学研究的热点。在众多储能技术中，超级电容器因功率密度高、充放电快、循环寿命长以及安全性好等优点，在电子设备、电动汽车、智能电网等领域有着广泛的应用前景。然而，较低的能量密度成为制约其应用的主要瓶颈。电极材料是决定超级电容器储能性能的关键因素，开发同时兼具高能量密度和功率密度的超级电容器的核心在于高性能电极材料的设计和制备。

过渡金属氮化物作为典型的间隙化合物因共价键和金属键并存，而具有导电性和化学稳定性好，以及活性位点丰富等优点，有望成为兼具高能量密度和长循环寿命超级电容器的高性能新型电极材料。目前过渡金属氮化物用于超级电容器的研究较少，其储能机理仍然不明确，已报道的氮化物电极材料的制备方法涉及高温、有毒氨气使用、反应难以控制以及电极制备过程粘结剂的混合导致电极材料超级电容性能不理想。因此，亟需发展过渡金属氮化物绿色、可控、规模化的制备方法。磁控溅射作为绿色镀膜技术，具有成膜温度低、沉积速率快、膜基结合力好、不涉及有毒气体、无粘结剂以及重复性好等优势，尤其适用于过渡金属氮化物电极材料的制备。国外研究者先后采用磁控溅射技术制备了TiN、CrN电极材料并用于对称型超级电容器，但该电极材料比容量偏低，难以满足超级电容器高能量密度的要求。这主要归结于常规磁控溅射技术制备的过渡金属氮化物薄膜存在致密度高、形貌简单、比表面积小等缺点。

本论文汇总了课题组近期在采用磁控溅射制备纳米多孔结构氮化物薄膜方向（CrN、NbN）的研究进展，旨在通过微结构调控提高过渡金属氮化物薄膜比表面积及活性位数、以及通过优化电极结构，构建基于过渡金属氮化物纳米结构薄膜的高容量长寿命超级电容器。