一种硫化钨超级电容器电极及其制备方法与流程

本发明属于微电子器件材料技术领域，特别是超级电容器电极材料的技术领域。

背景技术：

为了解决化石能源日趋短缺带来的能源危机和化石能源过度使用造成的环境污染，寻找相对清洁的新能源也成了迫在眉睫的问题，也成为人类日后发展的重大课题。近些年，新型能源装置研究引起广泛关注’其中，在清洁能源方面，太阳能电池展现出了良好的势头，以及超级电容器作为清洁能源的器件也引起广泛的研究及关注。超级电容器具有功率密度非常高、循环寿命长，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、使用温度范围宽、安全性高等特点，这些优点都是其他储能器件所不具备的。因此超级电容器是一种合适的新型能源装置，推广使用超级电容器，能够适度减少石油消耗，减轻对石油进口的依赖；有效地解决城市汽车尾气污染；摆脱传统电子行业和能源产业对铅酸电池等其它电池的依赖。

超级电容器无论是作为清洁能源，还是作为一种储能的电子器件的性能表现，都是优于静电电容器与普通电池的。这也是超级电容器受到越来越多的关注的主要原因。电容器从结构上分类可分为对称电容器和非对称电容器，对称电容器就是电容器正负极两个电极都采用相同的反应机理进行储能，而非对称电容器即是正负两极采用不同的反应机理进行储能。换句话说，混合电容的正负两极一极采用的是双电层电容的反应机理，另一极采用的是法拉第电容的反应机理，在结构上也称为非对称电容器。这样的组合在性能上是优于双电层电容的。还有一种混合电容是一个电极采用双电层反应机理进行储能，另一个电极采用采用锂/钠离子电池的储能机理,这也称为非对称电容器，混合电容器。

二硫族二维半导体材料具有高的比表面积，这个特点为锂离子的嵌入提供了可能。最近研究证实，二维二硫族化合物属于二维层状半导体材料，纳米结构ws2在锂电池领域具有巨大的应用前景。ws2半导体材料可以用于超级电容器领域。ws2二维半导体纳米片拥有大的比表面积和层间距离，还有可逆氧化还原反应，因而他们可以被应用于双电层电容和赝电容的结合。因此，近年来，ws2等二维过渡金属卤代烷烃因其优异的离子插层性能而被广泛应用于锂离子电池负极材料的研究中。

然而，相纯ws2的合成困难，ws2纳米片间的重合，ws2的电子电导率低，脆性大，严重限制了其锂离子电池的应用。采用一锅法合成了ws2/还原氧化石墨(rgo)复合材料，大大提高了电池性能。但仍不能够达到商用电池的技术标准。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种硫化钨超级电容器电极及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的现有ws2材料纯度低导致的电导率低、脆性大，制成的超级电容器电极稳定性差等技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种硫化钨超级电容器电极的制备方法，包括以下步骤：

s1：将粉末状ws2材料与去离子水加入器皿中进行融合，然后充分搅拌；

s2：搅拌均匀后把器皿放入超声波机器中固定进行切片处理；

s3：切片处理完成后对切后的溶液进行离心，从而使得固液分层，取出六个干净的小试管，将溶液倒入干净的小试管中，对溶液进行四次离心操作；

s4：上述s3中离心完成后，将最上面的一层清液倒去，并在试管盖上扎几个小孔，将留在试管壁的ws2放进冰箱中进行冻干处理；

s5：对冻干后的ws2进行抽真空，得到粉末状的ws2，并将粉末状的ws2放进冷冻机内，冷冻完成后，得到最终的ws2粉末；

s6：调浆；

s7：将调浆完成的浆料放入超声波机器中超声20分钟，超声完成后，把浆料搅拌均匀；

s8：通过丝网印刷将s7中浆料均匀的印在碳纸上，把碳纸放入烘干机中烘干，烘干完成后即可做成电极。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤s2中超声波功率为60w，温度设置为20摄氏度，高速剪切机的转速设定为7000转，隔十分钟暂停10分钟，重复8-12次，便完成了切片的工作。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤s3中对溶液进行四次离心操作的具体步骤如下：第一次放入离心机时转速设为3000转，时间设置为30分钟；完成后，取出六个装满溶液的试管，把上层溶液倒出，会在试管壁上留下固态物质；加入新的去离子水，进行第二次至第四次的离心过程中，第二次至第四次离心时都将运转速度设置为10000转，时间设置为10分钟。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤s4中冻干处理的时间设定为4-8小时，对冻干后的ws2材料进行抽真空，获得粉状ws2材料。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤s6中调浆过程为将ws2粉末、炭黑、聚偏氟乙烯(pvdf)加入至n-甲基吡咯烷酮(nmp)溶液中；且其中ws2粉末、炭黑、聚偏氟乙烯(pvdf)三者之间的质量比为7-10:1-3:1-3。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤s7中，常规超声20分钟，搅拌方法为在搅拌机上低速搅拌半小时，高速搅拌一个半小时。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤s8中烘干机烘干时设定的温度为60-80摄氏度。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤s8中烘干机烘干时间为两小时。

本发明还提供一种硫化钨超级电容器电极，采用上述任意一种硫化钨超级电容器电极制备方法制作的电极。

(3)有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的制备方法中通过利用超声波对粉末状的ws2切割，打破层与层之间的结构，从而增大内部结构的比表面积，缩短充电时间，增加放电时间，提高其充放电效率，相比于没有经过处理的ws2，显著提高了ws2电极储能和充放电效率，解决目前硫化钨比表面积低、充放电性能和循环性能差的缺陷；能够有效提高现有硫化钨超级电容器电极的循环性能、高倍率性能以及比容量等。

附图说明

图1为实施例中经过超声波剪切的ws2材料在扫描电子显微镜(sem)示意图。

图2为对比例中ws2电极在扫描电子显微镜(sem)示意图。

图3为实施例中ws2电极循环伏安(cv)曲线分析图。

图4为对比例中ws2电极循环伏安(cv)曲线分析图。

图5为实施例中ws2电极恒流充放电(gcd)曲线分析图。

图6为对比例中ws2电极恒流充放电(gcd)曲线分析图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

将12克的ws2、1ml的活化剂与1200ml去离子水加入器皿中进行融合，然后充分搅拌；搅拌均匀后把器皿放入超声波机器中固定进行切片处理，其中超声波功率为60w，温度设置为20摄氏度，高速剪切机的转速设定为7000转；切片处理完成后，取出六个干净的小试管，将溶液倒入干净的小试管中，对溶液进行四次离心操作，具体地，第一次放入离心机时转速设为3000转，时间设置为30分钟；完成后，取出六个装满溶液的试管，把上层溶液倒出，会在试管壁上留下固态物质；加入新的去离子水，进行第二次至第四次的离心，第二次至第四次离心时都将运转速度设置为10000转，时间设置为10分钟；离心完成后，将最上面的一层清液倒去，并在试管盖上扎几个小孔，将留在试管壁的ws2放进冰箱中进行冻干处理，冻干处理的时间设定为6小时；对冻干后的ws2进行抽真空，得到粉末状的ws2，并将粉末状的ws2放进冷冻机内，冷冻完成后，得到最终的ws2粉末；取上述ws2粉末3克、炭黑0.375克、聚偏氟乙烯0.375克加入至11.565克的n-甲基吡咯烷酮(nmp)溶液中进行调浆，将调浆完成的浆料放入超声波机器中超声20分钟，超声完成后，把浆料搅拌均匀；通过丝网印刷将浆料均匀的印在碳纸上，把碳纸放入烘干机中烘干，烘干设定的温度为80摄氏度，时间为两小时，烘干完成后即可做成电极。

对比例

取传统方法制作的ws2粉末3克、炭黑0.375克、聚偏氟乙烯0.375克加入至11.565克的n-甲基吡咯烷酮(nmp)溶液中进行调浆，将调浆完成的浆料放入超声波机器中超声20分钟，超声完成后，把浆料搅拌均匀；通过丝网印刷将浆料均匀的印在碳纸上，把碳纸放入烘干机中烘干，烘干设定的温度为100摄氏度，时间为两小时，烘干完成后即可做成电极。

本发明通过图1和图2分析可以看出经过超声波切割后的ws2与超声波切割前的ws2相比是互相分开的层状结构，层层部分之间相互堆积，表面松散。这表明超声波辅助机械剪切能有效的实现层层结构的分离。可以看出层与层之间的结构被打破。

通过图3和图4的对比，可知用超声波切割后的三电极ws2的cv曲线比较平滑。在1mvs^-1时，可以看出图形呈现为扁平状，说明在低扫描速率的情况下，ws2电极表现出了很好可逆性和电容特性，非常适合超级电容器电极的性能要求。随着扫描速率的提升，扁平状逐渐偏离，波动较大。

通过图5和图6的对比，图5中用超声波切割后的三电极ws2的gcd曲线，在0.2macm^-2时，它的充放电时间最长，可以达到800s左右，比切割前延迟200s，提高30％。

综上所述，实施例中经过超声波剪切的ws2电极，由图3分析可知在低速扫描时，图像呈矩形，表明了不错的可逆性。由图5分析可知电压与时间呈线性特性，虽然充电曲线与放电曲线还不够对称，但与没有经过处理的ws2电极相比放电时间有所增长，充电时间有所缩短，提高了充放电性能。

因此，通过对硫化钨二维材料进行超声剪切处理，能够制造出性能更加优异的电极材料，解决目前硫化钨表面积低、充放电性能和循环性能差的缺陷，进而显著提高硫化钨超级电容器电极的性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。