專利名稱：一種制備MnO₂/C復(fù)合薄膜電極材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子領(lǐng)域的超級薄膜電容器，具體涉及一種制備Mn02/C復(fù)合薄膜電極材料的方法。
背景技術(shù)：
超級電容器(Supercapacitor)是近年來繼鎳氫電池、鋰離子電池等二次電源之后發(fā)展起來的新型清潔儲(chǔ)能器件，其應(yīng)用涉及消費(fèi)類電子產(chǎn)品、太陽能產(chǎn)品、電動(dòng)玩具和工具、微電子工業(yè)、軍事應(yīng)用和汽車工業(yè)等諸多領(lǐng)域。超級電容器同市場上現(xiàn)有鎳氫電池、鋰離子電池等流行儲(chǔ)能元件相比，具有幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)①比功率大?？梢蕴峁?shù)十倍于二次電池的功率密度，可完成瞬時(shí)大功率的輸出要求；②循環(huán)壽命長。超級電容器的理論壽命通常在十萬次以上，這是二次電池難以達(dá)到的；③工作溫度范圍寬。在零下幾十度的低溫及較高溫度下均可保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)；④充電時(shí)間短。但在微電子產(chǎn)品中，微器件的加速、開關(guān)等十分頻繁。同汽車啟動(dòng)類似，微器件的驅(qū)動(dòng)同樣需要短時(shí)大功率能量來開啟器件開關(guān)、 加速等。鋰離子薄膜二次電池作為微器件的驅(qū)動(dòng)能源，雖然它有較高的能量密度，但功率密度偏小，難以勝任反復(fù)的器件瞬時(shí)開關(guān)、加速，這就需要大功率、可快速充放電的超級薄膜電容器的支持[J. H. Lim, D. J. Choi, H. -K. Kim, W. I. Cho, Y. S. Yoon, J. Electrochem. Soc.， 148(3) (2001)Α275.]。因此，大比容量的超級薄膜電容器成為現(xiàn)今微電子行業(yè)器件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)，是未來微電子產(chǎn)業(yè)微器件驅(qū)動(dòng)解決方案的重要方向之一 [H. -K. Kim, T. -Y. Seong, J. -H. Lim, W. I. Cho, Y. S. Yoon, J. Power Sources 102 (2001) 167. H. -K. Kim, S. -H. Choi, Y. S. Yoon, S. -Y. Chang, Y. -ff. Ok, T. -Y. Seong, Thin Solid Films 475(2005)54.]。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種制備Mn02/C復(fù)合薄膜電極材料的方法，其目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的功率密度偏小，難以勝任反復(fù)的器件瞬時(shí)開關(guān)、加速等需要，本發(fā)明不僅操作流程簡單，設(shè)備工藝成熟，適用范圍廣，而且得到的Mn02/C復(fù)合薄膜電極材料比電容高、循環(huán)穩(wěn)定性好。一種制備Mn02/C復(fù)合薄膜電極材料的方法，其特征在于采用磁控濺射方法制備， 通過控制濺射電源功率、濺射氣氛、濺射偏壓、濺射壓強(qiáng)和濺射溫度得到Mn02/C復(fù)合薄膜， 具體步驟如下選直徑2英寸的金屬M(fèi)n靶和石墨靶為靶材；濺射氣氛為高純Ar和高純O2的混合氣；Mn靶采用射頻電源，所述的射頻電源功率在50 150W之間；石墨靶采用直流電源，所述的直流電源功率30 60W之間；濺射前的基底真空小于5 X10_4Pa ；在濺射過程中對基底施加O -100V濺射偏壓；并將濺射壓強(qiáng)控制在0. 5 1. OPa之間內(nèi)；濺射時(shí)對濺射室溫度控制為室溫 300°C之間。。所述的濺射氣氛流量比Ar O2 = I 1。本發(fā)明采用磁控濺射方法制備Mn02/C復(fù)合薄膜電極材料。通過控制濺射電源功率、濺射氣氛、濺射偏壓、濺射壓強(qiáng)和濺射溫度幾個(gè)條件得到Mn02/C復(fù)合薄膜。Mn02/C復(fù)合薄膜電極材料做為法拉第贗電容電極材料，有著較大的比電容和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。在 Mn02/C復(fù)合薄膜體系中，C材料良好的導(dǎo)電性為MnO2在電極氧化還原過程中釋放出更多的法拉第贗電容起到了重要的促進(jìn)作用，提高了的Mn02/C復(fù)合薄膜電極的比電容。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是操作流程簡單，設(shè)備工藝成熟，適用范圍廣；得到的 Mn02/C復(fù)合薄膜電極材料比電容高、循環(huán)穩(wěn)定性好，可應(yīng)用在需要高穩(wěn)定性、高功率密度微型電源的場合。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本實(shí)施例并不用于限制本發(fā)明， 凡是采用本發(fā)明的相似方法及其相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1 磁控濺射制備Mn02/C復(fù)合薄膜電極。以Mn靶和C靶作為濺射靶材，功率分別設(shè)定為100W和40W;銅片為基材；減射氣氛為Ar和O2混合氣(流量比1 1)；濺射偏壓-100V ； 濺射壓強(qiáng)0. 5Pa ；濺射溫度為室溫；濺射時(shí)間lOmin，得到Mn02/C復(fù)合薄膜電極。以制備得到的Mn02/C復(fù)合薄膜電極材料為工作電極，碳電極為輔助電極，Ag/AgCl 為參比電極，IM Na2SO4為電解液，組成三電極測試系統(tǒng)進(jìn)行電化學(xué)性能測試。恒流充放電電流為0. ImA/cm2。薄膜電極在500個(gè)循環(huán)后比電容為36. 2mF · cm_2 · μ πΓ1，庫倫效率保持在90%以上。實(shí)施例2:磁控濺射制備Mn02/C復(fù)合薄膜電極。以Mn靶和C靶作為濺射靶材，功率分別設(shè)定為120W和50W ；銅片為基材；濺射氣氛為Ar和O2混合氣(流量比1 1)；濺射偏壓-50V ； 濺射壓強(qiáng)0. 5Pa ；濺射溫度為室溫；濺射時(shí)間lOmin，得到Mn02/C復(fù)合薄膜電極。以制備得到的Mn02/C復(fù)合薄膜電極材料為工作電極，碳電極為輔助電極，Ag/AgCl 為參比電極，IM Na2SO4為電解液，組成三電極測試系統(tǒng)進(jìn)行電化學(xué)性能測試。恒流充放電電流為0. ImA/cm2。薄膜電極在500個(gè)循環(huán)后比電容為30. 5mF · cm_2 · μ πΓ1，庫倫效率保持在90%以上。實(shí)施例3:磁控濺射制備Mn02/C復(fù)合薄膜電極。以Mn靶和C靶作為濺射靶材，功率分別設(shè)定為150W和60W;銅片為基材；減射氣氛為Ar和O2混合氣(流量比1 1)；濺射偏壓-IOOV ； 濺射壓強(qiáng)0. 5Pa ；濺射溫度為室溫；濺射時(shí)間5min，得到Mn02/C復(fù)合薄膜電極。以制備得到的Mn02/C復(fù)合薄膜電極材料為工作電極，碳電極為輔助電極，Ag/AgCl 為參比電極，IM Na2SO4為電解液，組成三電極測試系統(tǒng)進(jìn)行電化學(xué)性能測試。恒流充放電電流為0. ImA/cm2。薄膜電極在500個(gè)循環(huán)后比電容為38. 8mF · cm_2 · μ πΓ1，庫倫效率保持在80%以上。實(shí)施例4:磁控濺射制備Mn02/C復(fù)合薄膜電極。以Mn靶和C靶作為濺射靶材，功率分別設(shè)定為IOOW和40W;銅片為基材；減射氣氛為Ar和O2混合氣(流量比1 1)；濺射偏壓-IOOV ； 濺射壓強(qiáng)1. OPa ；濺射溫度為室溫；濺射時(shí)間lOmin，得到Mn02/C復(fù)合薄膜電極。
以制備得到的Mn02/C復(fù)合薄膜電極材料為工作電極，碳電極為輔助電極，Ag/AgCl 為參比電極，IM Na2SO4為電解液，組成三電極測試系統(tǒng)進(jìn)行電化學(xué)性能測試。恒流充放電電流為0. ImA/cm2。薄膜電極在500個(gè)循環(huán)后比電容為25. 6mF · cm_2 · μ πΓ1，庫倫效率保持在90%以上。實(shí)施例5 磁控濺射制備Mn02/C復(fù)合薄膜電極。以Mn靶和C靶作為濺射靶材，功率分別設(shè)定為100W和40W;銅片為基材；減射氣氛為Ar和O2混合氣(流量比1 1)；濺射偏壓-100V ； 濺射壓強(qiáng)1. OPa ；濺射溫度為300°C ；濺射時(shí)間lOmin，得到Mn02/C復(fù)合薄膜電極。以制備得到的Mn02/C復(fù)合薄膜電極材料為工作電極，碳電極為輔助電極，Ag/AgCl 為參比電極，IM Na2SO4為電解液，組成三電極測試系統(tǒng)進(jìn)行電化學(xué)性能測試。恒流充放電電流為0. ImA/cm2。薄膜電極在500個(gè)循環(huán)后比電容為16. 7mF · cm_2 · μ πΓ1，庫倫效率保持在80%以上。實(shí)施例6 磁控濺射制備Mn02/C復(fù)合薄膜電極。以Mn靶和C靶作為濺射靶材，功率分別設(shè)定為IOOW和40W ；銅片為基材；濺射氣氛為Ar和O2混合氣(流量比1 1)；濺射偏壓OV ； 濺射壓強(qiáng)1. OPa ；濺射溫度為300°C ；濺射時(shí)間lOmin，得到Mn02/C復(fù)合薄膜電極。以制備得到的Mn02/C復(fù)合薄膜電極材料為工作電極，碳電極為輔助電極，Ag/AgCl 為參比電極，IM Na2SO4為電解液，組成三電極測試系統(tǒng)進(jìn)行電化學(xué)性能測試。恒流充放電電流為0. ImA/cm2。薄膜電極在500個(gè)循環(huán)后比電容為12. 2mF · cm_2 · μ πΓ1，庫倫效率保持在80%以 上。
權(quán)利要求
1.一種制備Mn02/c復(fù)合薄膜電極材料的方法，其特征在于采用磁控濺射方法制備， 通過控制濺射電源功率、濺射氣氛、濺射偏壓、濺射壓強(qiáng)和濺射溫度得到Mn02/C復(fù)合薄膜， 具體步驟如下選直徑2英寸的金屬M(fèi)n靶和石墨靶為靶材；Mn靶采用射頻電源，所述的射頻電源功率在50 150W之間；石墨靶采用直流電源，所述的直流電源功率30 60W之間；濺射氣氛為高純Ar和高純&的混合氣；濺射前的基底真空小于5X ；在濺射過程中對基底施加 0 -100V濺射偏壓；并將濺射壓強(qiáng)控制在0. 5 1. OPa之間內(nèi)；濺射時(shí)對濺射室溫度控制在室溫 300°C之間。。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備MriA/C復(fù)合薄膜電極材料的方法，其特征在于所述的濺射氣氛流量比Ar O2=I 1。
全文摘要
一種制備MnO2/C復(fù)合薄膜電極材料的方法，采用磁控濺射方法制備，通過控制濺射電源功率、濺射氣氛、濺射偏壓、濺射壓強(qiáng)和濺射溫度得到MnO2/C復(fù)合薄膜，具體步驟為選直徑2英寸的金屬M(fèi)n靶和石墨靶為靶材；Mn靶采用射頻電源，射頻電源功率在50～150W之間；石墨靶采用直流電源，直流電源功率30～60W之間；濺射氣氛為高純Ar和高純O2的混合氣；濺射前的基底真空小于5×10-4Pa；在濺射過程中對基底施加0～-100V濺射偏壓；并將濺射壓強(qiáng)控制在0.5～1.0Pa之間內(nèi)；濺射時(shí)對濺射室溫度控制在室溫～300℃之間。濺射氣氛流量比Ar∶O2＝1∶1。本發(fā)明操作流程簡單，制備的MnO2/C復(fù)合薄膜電極材料比電容高、循環(huán)穩(wěn)定性好，可應(yīng)用在需要高穩(wěn)定性、高功率密度微型電源的場合。
文檔編號H01G9/042GK102157272SQ201110081440
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者王繼芬, 謝華清, 黎陽 申請人:上海第二工業(yè)大學(xué)