一种基于飞秒激光复合阳极氧化制备赝电容电极的方法

摘要

本发明涉及一种通过飞秒激光复合阳极氧化制备赝电容电极的方法,属于法拉第赝电容电极的加工制备领域。包括以下步骤:(1)分别用去离子水、无水乙醇分别清洗泡沫铜材料；(2)将清洗过的纯净样品进行飞秒激光表面加工处理；(3)将飞秒激光表面处理过的样品，再次进行清洗，以便去除因激光加工而带来的表面碎屑；(4)对上述样品进行电化学阳极氧化，制备出微纳复合结构的花状赝电容电极。相比现有技术，本方法提供的制备赝电容电极的方法全程在空气环境中进行，无需真空装置，制备周期短，具有良好的面积比电容性能。

权利要求

1.一种基于飞秒激光复合阳极氧化制备赝电容电极的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)搭建飞秒激光加工系统；

2)对加工材料用飞秒激光对其表面进行直写改性，加工出表面微突触结构；

3)对步骤2)得到的材料进行清洗并干燥，以除去因表面加工带来的表面碎屑；

4)将步骤3)得到的材料放入双电极体系进行阳极氧化；

5)将步骤4)得到的电极进行反复清洗以清除氧化过程中在材料表面产生的溶液结晶后干燥。

2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光复合阳极氧化制备赝电容电极的方法，其特征在于：在执行步骤2)操作前，先对所述加工材料进行表面清洗及干燥。

3.根据权利要求2所述的一种基于飞秒激光复合阳极氧化制备赝电容电极的方法，其特征在于：所述清洗及干燥过程：首先用去离子水对所述加工材料进行5min超声震荡清洗，然后用无水乙醇对材料再次进行5min的超声震荡清洗，最后用电吹风将表面附着的无水乙醇吹干。

4.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光复合阳极氧化制备赝电容电极的方法，其特征在于：通过控制所述飞秒激光的能量控制步骤2)所述表面微突触结构形貌。

5.根据权利要求4所述的一种基于飞秒激光复合阳极氧化制备赝电容电极的方法，其特征在于：所述飞秒激光的加工能量范围为3mW—15mW。

6.根据权利要求5所述的一种基于飞秒激光复合阳极氧化制备赝电容电极的方法，其特征在于：所述飞秒激光的加工能量为10mW。

7.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光复合阳极氧化制备赝电容电极的方法，其特征在于：步骤3)所述清洗为采用蒸馏水、无水乙醇依次清洗。

8.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光复合阳极氧化制备赝电容电极的方法，其特征在于：所述双电极体系的阳极氧化的电解质溶液为3mol/L的KOH溶液，阴极和阳极分别为铂电极和泡沫铜。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种基于飞秒激光复合阳极氧化制备赝电容电极的方法，其特征在于：通过控制步骤4)阳极氧化的电流密度和氧化时间，加工不同形貌的表面结构。

10.根据权利要求9所述的一种基于飞秒激光复合阳极氧化制备赝电容电极的方法，其特征在于：所述电流密度为45mA/cm2，时间为1200s。

说明书

一种基于飞秒激光复合阳极氧化制备赝电容电极的方法

技术领域

[0001] 本发明属于法拉第赝电容电极的加工制备技术领域，具体涉及一种飞秒激光复合阳极氧化制备赝电容电极的方法。

背景技术

[0002] 随着科学技术的不断发展和人口的不断增加，能源枯竭和环境污染问题日趋严重，因此开发环境友好型、高能效的能源存储装置以及能源转化逐渐吸引人们的注意。在众多的能源存储设备中，超级电容(电化学电池)是一种能量密度和功率密度高、循环寿命好、充放电迅速的高性能储能元件，在航空航天、能源、电动车辆等领域有着广泛的应用前景。

[0003] 根据超级电容的形成机理可以分为两类：双电层电容和法拉第赝电容。双电层电容指在电极与电解液接触表面，电解液和电极表面由于外加电压聚集等量异种电荷，形成双电层；法拉第赝电容是指在电极表面或体相中的二维空间上,电极活性物质发生高度可逆的氧化还原反应实现电荷存储和释放的一种储能元件。超级电容电极由集流体和表面活性物质组成，因此材料的比表面积和电极的导电性极大的影响了电极性能。

[0004] 碳基材料、过渡金属氧化物以及导电聚合物是三类常见的电极活性物质材料。碳基材料例如碳纳米线、纳米管、纳米花等结构常用于双电层电容，但此种材料的比电容较低；导电聚合物具有较高的比电容，但循环寿命较低，限制了商业中的应用。过渡金属氧化物具有较高的功率密度、比容量以及优异的化学可逆性等特点受到广泛的关注。其中氧化铜具有价格低廉、制备方便等优势，得到广泛的应用。

[0005] 目前加工制备超级电容电极的方法主要有水热法、水浴法、静电纺丝、电化学沉淀、热氧化等方法。上述方法基本都需要真空干燥设备，高压釜等设备，此外水热法等需要对材料进行长时间浸泡，并且需要对后续样品进行压印，增加活性物质的牢固性和稳定性，静电纺丝则是一种制备活性物质的方法，需要将制得粉末用粘合剂粘合在集流体上，并且需要对其进行压印。此类方法，使得电荷转移电阻增大，降低了反应速率。此外，活性物质的稳定性不好，不利于长时间的循环使用。因此，目前迫切需要一种在集流体上原位生长活性物质的加工方法。

发明内容

[0006] 本方法目的在于解决现有加工制备法拉第赝电容方法存在的上述问题，提出一种飞秒激光复合电化学阳极氧化加工制备赝电容电极的方法，该方法能够在泡沫材料基底上原位生长出微纳结构，活性物质能够直接生长在集流体上，无需粘合剂，降低了氧化还原反应的电荷转移电阻。引进了飞秒激光对泡沫材料进行前期改性，增加了后续电化学氧化时的离子流动。此外，该过程无需高压釜等密封设备，制造简单，加工形貌可控。

[0007] 为实现发明目的，通过以下技术方案实现：

[0008] 一种基于飞秒激光复合电化学阳极氧化加工制备赝电容电极的方法，具体方法如下：

[0009] 1.搭建飞秒激光加工光路；

[0010] 2.对所用材料用飞秒激光对其表面进行直写改性，加工出表面微突触结构；

[0011] 作为优选，在使用所述飞秒激光对所用材料进行加工前先对其表面进行清洗。

[0012] 作为优选，所述清洗过程：首先用去离子水对材料进行5min超声震荡清洗，然后用无水乙醇对材料再次进行5min的超声震荡清洗，最后用电吹风将表面附着的无水乙醇吹干。

[0013] 作为优选，通过控制所述飞秒激光的能量控制表面微突触结构形貌。

[0014] 作为优选，所述飞秒激光的加工能量范围为3mW—15mW。

[0015] 作为优选，所述飞秒激光的加工能量为10mW。

[0016] 3.对飞秒激光直写加工出的材料表面进行清洗并干燥，以除去因加工带来的表面碎屑；

[0017] 作为优选，所述清洗采用蒸馏水、无水乙醇依次清洗。

[0018] 4.将经过步骤3所得材料放入双电极体系进行阳极氧化；

[0019] 作为优选，所述双电极体系的阳极氧化的电解质溶液为3mol/L的KOH溶液，阴极和阳极分别为铂电极和泡沫铜。

[0020] 作为优选，通过控制电化学阳极氧化的电流密度和氧化时间，可以加工出不同形貌的表面结构；通过对其进行电容电极性能测试，找到最优化的加工参数。

[0021] 5.将上述加工的电极进行清洗以清除氧化过程中在材料表面产生的溶液结晶，然后将其置于100℃条件下保温预设时间以干燥。

[0022] 作为优选，所述预设时间为20min。

[0023] 有益效果：

[0024] 对比现有技术，本发明具有以下特点：

[0025] 1.加工过程在空气环境中即可进行，无需真空装置，成本较低；

[0026] 2.通过飞秒激光表面处理，通过控制激光的能量，在泡沫材料表面会生成微凸起结构，有利于提高后续电化学氧化过程中离子游动，提高反应速率，有效提高了加工效率；

[0027] 3.通过此方法，能够制备出比电容较高的赝电容电极。

附图说明

[0028] 图1为本发明实施例制备赝电容电极的飞秒激光加工系统图。

[0029] 图2为本发明实施例制备法拉第赝电容电极的工艺流程图；其中，(a)为清洗过的泡沫铜裸片；(b)为经过飞秒激光改性处理的泡沫铜基底；(c)为激光与电化学氧化以及干燥处理后的表面。

[0030] 图3为泡沫铜裸片的宏观结构图和扫描电子显微镜图：其中(a)为泡沫铜裸片的光学显微镜图；(b)为对应的扫描电子显微镜图；(c)泡沫铜裸片对应的成分分析图。

[0031] 图4为经过加工之后的泡沫铜表面结构的扫描电子显微镜图：其中(a)为能量为10mW时飞秒激光加工过的样品表面图；(b)为电化学阳极氧化后的样品表面结构图(氧化时
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间为：1200s，电流密度：45mA/cm)(c)为对应的EDX成分分析图。

[0032] 图5为对加工样品进行的电极性能测试图：其中(a)对加工样品在扫描速度为5—40mv/s时，进行的循环伏安曲线测试；(b)对加工电极进行的恒流充放电测试图。

[0033] 图6为经过恒流充放电以及相应公式得出的电极性能与电流密度的关系图：(a)比电容随电流密度变化的关系图；(b)能量密度随功率密度的变化曲线图。

[0034] 图7电极稳定性测试图：其中(a)循环测试1400次，电极的库伦效率；(b)循环1400次，电极的循环性能图。

[0035] 附图标记：1-飞秒激光器；2-光阑；3-衰减片；4-光快门；5-二相色镜；6-平凸透镜；7-待加工材料；8-六自由度平移台；9-照明灯；10-分束镜；11-电荷耦合元件(CCD)；12-计算机控制系统。

具体实施方式

[0036] 为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚、明确，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

[0037] 实施例1

[0038] 选择待加工材料为泡沫铜，说明本发明一种基于飞秒激光复合电化学氧化加工制备赝电容电极的方法的实施过程，包括以下步骤：

[0039] (1)搭建如图1所示的飞秒激光加工系统；飞秒激光加工系统由飞秒激光器1、光阑2、衰减片3、光快门4、二相色镜5；平凸透镜6、待加工材料7、六自由度平移台8、照明灯9、分束镜10、电荷耦合元件(CCD)11、计算机控制系统12组成。飞秒激光器1产生波长为800nm，脉冲持续时间为35fs，重复频率为1kHz的激光，经过光阑2、衰减片3、以及光快门4后，由二相色镜5反射到平凸透镜6上，经过6的聚焦，将飞秒激光聚焦在待加工材料7表面。其中，二相色镜5的作用是反射800nm波长的光，透过照明灯9发出的可见光。照明灯9发出的光经过分束镜10、二相色镜5以及平凸透镜6后照射到待加工材料7的表面，经过待加工材料7的反射，将待加工材料7的像呈现在电荷耦合元件(CCD)11上，经过计算机控制系统12的处理，可以将电荷耦合元件(CCD)11中的像呈现在计算机屏幕上。衰减片3的作用是调节激光通量的大小。光快门4可以通过计算机控制系统12控制其打开和关闭；

[0040] (2)在空气环境中，先对泡沫铜表面用去离子水和无水乙醇分别超声震荡5min进行清洗，然后利用飞秒激光对如图2(a)所示的泡沫铜表面按照预设的参数进行改性加工得到如图2(b)所示的表面覆盖微纳突触结构的表面。控制飞秒激光的能量分别为3mW，5mW,10mW,15mW，扫描速度为500μm/s，扫描间距为5μm，加工面积为5000×5000μm。由于对加工材料表面形貌影响最大的因素是能量，因此此处着重研究飞秒激光的能量这一参数。通过对不同能量下的加工表面的形貌观察以及电极性能的测试可知：3mW时，表面出现周期性波纹结构(ripple)，15mW时，表面损坏严重。最优化的能量为10mW，因此本实施例中选择激光的加工能量为10mW；

[0041] (3)如图2(c)所示，利用飞秒激光改性之后，将上述材料清洗以便除去由激光加工产生的碎屑，防止对表面形貌的观察以及后续电化学氧化的影响。加工清洗过的样品放入双电极体系中，作为体系的阳极，铂电极作为阴极，选择阳极氧化的电流密度为10、20、30、45、60mA/cm2，加工时间为900s,1200s,1500s，通过控制电流密度和氧化时间，加工出不同
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形貌的表面结构，根据超级电容电极性能的测试以及形貌观察可知，电流密度为45mA/cm ，时间为1200s时，效果最好。因此，批量生产时采用氧化的电流密度为45mA/cm2，氧化时间为
1200s加工参数，用数字源表对其进行氧化，在阳极沉积铜离子，加工结束后对上述氧化后材料用去离子水和无水乙醇分别进行超声清洗5min以去除表面结晶，而后置于马弗炉中，当然，也可以是其他加热炉，100℃条件下，保温20min，取出并对其用上述方法再次进行清洗，以便去除在干燥过程中，马弗炉中灰尘对表面的污染。得到由纳米片组成的花状结构；
图3(a-b)为纯净的泡沫铜，图3(a)为泡沫铜裸片的宏观光学显微镜图，图3(b)为扫描电子显微镜下的泡沫铜裸片的放大图，由(a-b)可知，泡沫铜裸片是多层结构编织成的网状结构；图3(c)为泡沫铜裸片的EDX成分分析图，横坐标代表能量，纵坐标代表强度，由此分析可得，泡沫铜裸片仅含有铜，证明了泡沫铜裸片是纯净的。

[0042] 由上述内容可知，针对不同的生产目标以及加工原材料，可以通过控制电化学阳极氧化的电流密度和氧化时间，加工出不同形貌的表面结构；以对相应的电容电极性能进行研究，从中找到最优化的加工条件。

[0043] 本领域技术人员清楚，在每进行下一个加工步骤前，若想取得良好的加工效果，都要对材料进行清洗和干燥处理，不限于上述实施例中公布的清洗过程，针对加工材料及其所要取得的性质，可以对其进行符合其材料特质的对应的清洗处理，以保证材料的干净从而取得好的加工效果。

[0044] 图4(a)为纯净的泡沫铜经过飞秒激光表面处理之后的扫描电子显微镜(scanning electron microscopy)图。从图4(a)中可以看出，泡沫铜表面经过飞秒激光处理后，会在表面生成微米突触，但并没有构成微纳复合结构；图4(b)为飞秒激光加工之后，对其进行电化学阳极氧化并进行干燥处理后得到由纳米片组合而成的花状结构(团簇)的扫描电子显微镜(scanning electron microscopy)图。从图4(b)中可以看出，飞秒激光和电化学氧化依次进行处理，得到的花状结构，在电极进行表面氧化还原反应时有利于离子的游动，加快氧化还原反应的进行。此外，经过飞秒激光表面改性泡沫铜，改变了泡沫铜材料的外层电子分布，有利于增强基底的导电性。图4(c)为飞秒激光直写加工后和飞秒激光复合电化学阳极氧化后，材料表面的EDX成分分析图，横坐标代表能量，纵坐标代表强度。由此图可以看出，经过飞秒激光直写加工的样品表面出现了氧，经过飞秒激光与电化学阳极氧化复合加工的表面也出现氧，并且氧含量明显增加。

[0045] 图5(a)为样品的循环伏安曲线测试(CV)，由此可以看出，CV曲线出现展宽的氧化还原峰，明显区别于双电层电容的近矩形形状。图5(b)为飞秒激光与电化学氧化复合加工出的电极的恒流充放电测试，充放电曲线近似对称，由此可以证明，充放电是一个可逆的过程。当电流密度为1mA/cm2时，电极的放电时间最长。通过循环伏安曲线和恒流充放电测试，可以得出，加工的电极为赝电容电极。图6(a)是面积比电容随着电流密度的变化趋势图，由此图可以看出，该电极的面积比电容在电流密度为1mA/cm2时为3348.57mF/cm2，由图6(b)可以看出在功率密度为175μW/cm2时的能量密度为56.97μWh/cm2。

[0046] 图7(a-b)为加工电极的库伦效率和循环性能测试。图7(a)为循环1400次(Cycle number)电极的库伦效率图，图7(b)为循环测试1400次(Cycle number)，电极的循环性能(Capacity Retention)图。由图7(a)可以看出，经过1400次充放电循环测试，电极的库伦效率为97％；由图7(b)可以看出，经过1400次循环测试，最终循环稳定在120％，这是由于电极表面活性材料在浸泡测试过程中，电解液中的离子不断向活性物质扩散。由上述叙述可以得出，此方法加工制备的赝电容电极具有较好的充放电效率和稳定耐用性。

[0047] 综上所述，该方法加工出的法拉第赝电容具有良好的比电容和循环稳定性。相比现有方法，此方法原位生长活性物质，增加了活性物质的牢固性，降低了电荷转移的阻抗谱，此外无需真空环境，操作简单。

[0048] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。