一种基于三维碳化硅的宽温域超级电容器及其制备方法

本发明属于半导体器件，具体涉及一种基于三维碳化硅的宽温域超级电容器及其制备方法。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、与锂电池相比，超级电容器具有高功率密度、稳定的循环性能，宽工作温度范围等优势而受到广泛的研究关注。作为一种电化学储能装置，与电池相比，超级电容器具有不同的电荷存储特性，其储能过程主要通过电解质离子在电极材料表面上的吸附和解离或者电极材料表面发生快速地氧化还原反应来实现。由于这一特性，超级电容器在数百万次循环中具有优异的耐用性和可循环性。因此，对于超级电容器，提升比电容的关键是具有大比表面积的电极以及较厚的亥姆霍兹层。常用的几种电极材料，主要包括碳材料、金属氧化物以及导电聚合物等，其循环过程中往往伴随着容量的快速衰减，稳定性较差。此外，低能量密度也是超级电容器发展的一大制约因素。

3、电极材料是决定超级电容器性能的关键因素之一，为了提升能量密度，研究人员在高性能电极选用等方面做出了大量的努力。以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料与传统材料相比，具备更宽带隙、更高的击穿电场等诸多优势，已被认为是现代化储能器件发展的新动力。碳化硅由于具有低热膨胀系数、高电子迁移率以及化学性质稳定等优良特性，可应对恶劣的工作条件，如高温、高压，强辐射等，在智能电网、航空航天以及军用等领域具有广阔的应用前景。

4、虽然新型半导体材料具有很多优异特性，但是其在电化学储能中应用并不广泛。由于碳化硅电导率不高、比表面积较小，用作超级电容器电极时电荷存储有限，无法满足器件的实际应用。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于三维碳化硅的宽温域超级电容器及其制备方法。本发明的宽温域超级电容器具有较宽的工作温度范围和优异的循环稳定性，具有较高的比容量，可在-40～150℃温度下正常工作，优于大多市面上常见的超级电容器的工作范围，表现出优异的电化学储能特性，同时兼具优良的能量-功率密度。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种基于三维碳化硅的宽温域超级电容器的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将碳化硅单晶激光切割为晶片并进行超声清洗；

5、s2、将晶片浸泡于无水乙醇和氢氟酸的混合溶液中除去晶片表面的氧化层；

6、s3、对浸泡后的晶片进行激光刻蚀，在其表面产生均匀分布的横向沟道结构；

7、s4、以激光刻蚀后的晶片为工作电极，金属pt为对电极，添加刻蚀液，外加电源施加电压进行两次电化学刻蚀，两次刻蚀完成后将晶片清洗、干燥，获得三维碳化硅电极；

8、s5、将三维碳化硅电极分别作为正极、负极电极材料进行叠加并由隔膜分隔，填充添加乙二醇的电解液，组成得到基于三维碳化硅的宽温域超级电容器。

9、采用激光技术对晶片进行刻蚀，产生均匀分布的横向沟道结构，增大与刻蚀液的接触面积，促进反应，构建具有三维结构的碳化硅电极，提高比表面积。

10、使用不同的刻蚀液进行两次电化学刻蚀，第一次刻蚀用于去除晶片表面的覆盖层，第二次刻蚀用于形成三维结构提高比表面积。

11、在电解液中加入乙二醇，使超级电容器在低温下也能保持正常性能。

12、优选地，所述碳化硅单晶包括物理气相沉积法生长的具有纵向贯穿微管结构的n型sic单晶。

13、氮元素掺杂以及贯穿微管结构可以显著提高电导率，增大电极材料的比表面积实现比电容量的提升。

14、优选地，步骤s1中，超声清洗为在丙酮、乙醇和去离子水中分别超声20-40分钟，超声功率为300-500w。

15、优选地，步骤s2中，所述混合溶液由体积分数40％的氢氟酸溶液与体积分数99％的无水乙醇溶液按体积比1:1的比例配置。

16、优选地，步骤s2中，浸泡时间为8-12min。

17、优选地，步骤s4中，第一次电化学刻蚀的刻蚀液为饱和nh4hf2溶液，第二次电化学刻蚀的刻蚀液为99％无水乙醇、体积分数40％氢氟酸、体积分数30％双氧水按体积比＝6:3:1配置的混合溶液。

18、优选地，步骤s4中，电化学刻蚀为恒压刻蚀，刻蚀时间为20-30min，刻蚀电压为15-20v，刻蚀电流为100-150ma。

19、优选地，所述电解液为离子液体，包括咪唑基甲磺酰亚胺盐。

20、优选地，所述隔膜包括玻璃纤维滤纸。

21、第二方面，本发明提供了一种基于三维碳化硅的宽温域超级电容器，通过如第一方面所述的制备方法获得。

22、上述本发明的一种或多种技术方案取得的有益效果如下：

23、1.本发明中通过激光刻蚀在碳化硅晶片上构建了均匀分布的横向沟道结构，提高了碳化硅晶片的比表面积，增大其在电化学刻蚀过程中与刻蚀液的接触面积，使碳化硅晶片更易形成三维结构，增大电解液接触面积，缩短电荷传输路径，提高离子/电子交换效率。。

24、2.本发明使用添加了乙二醇的电解液，使超级电容器在低温下也能保持正常性能，拓宽了超级电容器的工作范围。

25、3.本发明的超级电容器具有较宽的工作范围，具有较高的比容量和优良的循环稳定性，能够在-40～150℃宽温度范围下正常工作，优于目前常见的多数超级电容器使用温度，兼顾高能量-功率密度，表现出优异的宽温域电化学性能。

26、4.本发明的超级电容器不仅具有工作温度范围广，结构稳定性好，比容量高，而且同时具有较大的比表面积，增大电解液接触面积，缩短电荷传输路径，提高离子/电子交换效率。在保证恶劣环境中的循环稳定以及功率密度的同时，提升了超级电容器件的能量密度，进一步拓展了超级电容器件的应用范围。

技术特征：

1.一种基于三维碳化硅的宽温域超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硅单晶包括物理气相沉积法生长的具有纵向贯穿微管结构的n型sic单晶。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，超声清洗为在丙酮、乙醇和去离子水中分别超声20-40分钟，超声功率为300-500w。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述混合溶液由体积分数40％的氢氟酸溶液与体积分数99％的无水乙醇溶液按体积比1:1的比例配置。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，浸泡时间为8-12min。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中，第一次电化学刻蚀的刻蚀液为饱和nh4hf2溶液，第二次电化学刻蚀的刻蚀液为99％无水乙醇、体积分数40％氢氟酸、体积分数30％双氧水按体积比＝6:3:1配置的混合溶液。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中，电化学刻蚀为恒压刻蚀，刻蚀时间为20-30min，刻蚀电压为15-20v，刻蚀电流为100-150ma。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电解液为离子液体，包括咪唑基甲磺酰亚胺盐。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述隔膜包括玻璃纤维滤纸。

10.一种基于三维碳化硅的宽温域超级电容器，其特征在于，通过如权利要求1-9任一项所述的制备方法获得。

技术总结本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种基于三维碳化硅的宽温域超级电容器及其制备方法。本发明将碳化硅单晶经激光切割、浸泡除去氧化层、激光刻蚀形成沟道结构、电化学刻蚀处理后获得三维碳化硅电极，将三维碳化硅电极分别作为正极、负极电极材料进行叠加并由隔膜分隔，填充添加乙二醇的电解液，组成得到基于三维碳化硅的宽温域超级电容器。本发明的宽温域超级电容器具有较宽的工作温度范围和优异的循环稳定性，具有较高的比容量，可在‑40～150℃温度下正常工作，优于大多市面上常见的超级电容器的工作范围，表现出优异的电化学储能特性，同时兼具优良的能量‑功率密度。技术研发人员：王守志,梁昶,张雷,谢寿天,聂鸿坤,王国栋,徐现刚受保护的技术使用者：山东大学深圳研究院技术研发日：技术公布日：2024/7/29