一种基于激光图形化的自由式微型超级电容器及制造方法技术

一种基于激光图形化的自由式微型超级电容器及制造方法，属于微能源能量存储技术领域。自下而上的结构分别是固态电解质、柔性电极与金属集流体；在电纺丝纳米纤维上滴涂碳纳米管得到柔性电极。本发明专利技术提出的自由式微型超级电容器，与传统的三明治结构超级电容器相比，采用平面式叉指结构电极，极大的降低了器件厚度，提升了器件柔性，可以更好的与柔性电子器件集成，并且同时利用电纺丝纳米纤维高比表面积与碳纳米管高电导性的优势，制备轻便稳定的柔性电极，进一步提高了能量与功率密度。本发明专利技术与其他微型超级电容器相比，创新性的通过电解质转移的方式，无需额外衬底，进一步降低了器件的厚度，避免了复杂的转移工艺对器件带来可能的伤害。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于激光图形化的自由式微型超级电容器及制造方法，属于微能源能量存储

技术介绍
随着各种便携式电子设备的快速发展，对于微能源的需求日益增加。近年来，超级电容器凭借其高功率密度、循环稳定性好以及充放电速度快等优势，成为具有很好应用前景的能量存储器件[Simon，P.etal.Naturematerials,vol.7,pp.845,2008]。如今，科研学者针对电极材料的柔性以及加工方法方面做了大量的工作，尤其是具有良好稳定性的柔性固态超级电容器，可以避免电解液的泄露，提高器件的安全性与稳定性，并具有良好的电化学性能，得到了广泛的关注。然而，随着器件微型化、集成化的发展，应用中的存储空间越来越小，对于形状的贴附性要求变高，传统的三明治结构超级电容器由于厚度较大、柔性较差等问题，一定程度的限制了它们的应用。微型超级电容器则多采用平面结构与微电子工艺制备而得[Kai,W.etal.AdvancedEnergyMaterials,vol.1,pp.1068,2011]，极大的降低了器件的整体厚度，具有很好的应用前景，并且同样具备良好的柔性与稳定性，可以与各类柔性电子设备集成，满足小尺寸高便携性的需求，拓展了能量存储器件的工作范围。但是，一方面，现有的微型超级电容器多采用光刻图形化的方式，需要掩模版而增加了工艺的复杂度，并且光刻过程中有可能对电极造成一定的伤害，影响电极的性能与稳定性；另一方面，复杂的电极转移过程会引入额外的衬底，对于器件整体的柔性与重量也会带来不利的影响。因此，需要设计一种加工工艺简单、柔性轻便、图形化效率高的微型超级电容器，具备大规模集成化制备的前景，同时具有很好的能量存储能力与稳定性，适用于可穿戴电子与柔性低功耗器件的微能量系统。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足,针对目前三明治结构超级电容器厚度大、制备工艺复杂等问题，本专利技术的目的在于提供一种可以高集成大规模制备的自由式微型超级电容器，采用平面式电极结构，极大的降低了器件的整体厚度，并可以通过叉指结构电极的参数设计优化，提升器件能量与功率密度，具有很好的柔性与便携性。与普通的微型超级电容器相比，一方面，采用电解质转移工艺，无需额外衬底，可以进一步降低器件厚度，另一方面，采用激光图形化的加工工艺，无需掩模版，可以同时进行大规模可控化制备，通过串并联结构设计，拓展器件工作能力与应用范围。一种基于激光图形化的自由式微型超级电容器，包括：电纺丝纳米纤维、柔性电极、固态电解质及金属集流体；自下而上的结构分别是固态电解质、柔性电极与金属集流体；在电纺丝纳米纤维上滴涂碳纳米管得到柔性电极；所述电纺丝纳米纤维为通过电纺丝工艺制备而得，如聚偏氟乙烯(polyvinylidenefluoride，PVDF)、聚氨基甲酸酯(polyurethane，PU)；所述柔性电极附着多壁碳纳米管(carbonnanotube，CNT)或其他具有柔性特质的电极；所述固态电解质为凝胶聚合物，包括聚乙烯醇(polyvinylalcohol，PVA)与磷酸(H3PO4)、硫酸(H2SO4)、氯化锂(LiCl)的聚合物；所述金属集流体为导电性良好的金属金(Au)、铜(Cu),柔性电极:具有平面式叉指结构的叉指电极，叉指电极对向排列，分别作为微型超级电容器的正、负极。自由式微型超级电容器直接贴附于多种柔性电子器件的表面；与可穿戴设备和低功耗电子器件如各类传感器相集成。叉指结构单值宽度为200-800μm，叉指长度为0.5-2cm，叉指数量为4-8个。一种基于激光图形化的自由式微型超级电容器制造方法，采用微型超级电容器平面式叉电极结构及串并联结构，采用电解质转移与激光图形化加工步骤。一种基于激光图形化的自由式微型超级电容器及制造方法，还含有以下步骤；步骤1)、通过称量将PVDF加入丙酮(acetone)与二甲基甲酰胺(dimethylformamide，DMF)的混合有机溶剂中，通过磁力搅拌得到PVDF溶液；步骤2)、通过静电纺丝的工艺，施加高电压将PVDF溶液以杂乱排序的方式沉积在背电极上，得到纳米纤维状结构的PVDF纺丝；步骤3)、通过称量将CNT与表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(sodiumdodecylbenzenesulfonate，SDBS)混合加入去离子水中，通过超声得到碳纳米管溶液(CNTink)；步骤4)、通过滴加烘干的工艺，将CNTink滴加在PVDF纺丝上完全吸附后烘干，进行多次滴加烘干操作至CNT浓度完全饱和，作为柔性电极；步骤5)、通过磁力搅拌的方法，将PVA、H3PO4加入去离子水中，磁力辅助下高速搅拌，至溶液清澈透明，得到凝胶聚合物，作为固态电解质；步骤6)、将固态电解质均匀附着在柔性电极上，恒温烘干后，除去残留的水分子，将柔性电极完全转移至固态电解质上；步骤7)、通过溅射的方法，在所制得的多个电解质-柔性电极上溅射一层Au电极，作为微型超级电容器的集流体；步骤8)、通过激光图形化的方式，控制激光扫描功率及时间，将上层的金属集流体层、柔性电极层切割为叉指电极结构，固态电解质层保持不变，得到基于激光图形化的自由式微型超级电容器。本专利技术的优点是基于激光图形化的自由式微型超级电容器采用平面叉指结构电极，结合电解质转移与激光图形化工艺，可以进一步降低器件厚度，优化电极结构，具有存储容量大、能量密度高、器件柔性好、制备工艺简单等优点，与其他柔性电子器件相集成，在低功耗电子与可穿戴器件等领域具有很好的应用前景。本专利技术所提供的基于激光图形化的自由式微型超级电容器可以应用于以下领域：1、结合该微型超级电容器平面式叉指电极结构具有的体积小质量轻且柔性好等优点，可以将该设备直接贴附于多种柔性电子器件的表面，与可穿戴设备和低功耗电子器件如各类传感器等相集成，具有很好的便携性并可以长期稳定供电。2、通过串并联等结构设计，结合激光图形化分辨率高、可控性好、大面积加工等优势，可以进一步提升器件的有效工作电压与电流密度，满足多种不用柔性器件的能量需求，拓展了器件的工作能力与应用范围。3、本专利技术提出的制造方法均采用实验室基本工艺加工制备，采用电解质转移与激光图形化的方式，极大的降低了加工工艺成本，无需掩模版及复杂的转移工艺，加工制备方法简单，稳定性高，具有可大规模批量化生产的可能性。本专利技术提供的基于激光图形化的自由式微型超级电容器的优点在于：1、本专利技术提出的自由式微型超级电容器，与传统的三明治结构超级电容器相比，采用平面式叉指结构电极，极大的降低了器件厚度，提升了器件柔性，可以更好的与柔性电子器件集成，并且同时利用电纺丝纳米纤维高比表面积与碳纳米管高电导性的优势，制备轻便稳定的柔性电极，进一步提高了能量与功率密度。2、本专利技术提出的自由式微型超级电容器与其他微型超级电容器相比，创新性的通过电解质转移的方式，无需额外衬底，进一步降低了器件的厚度，避免了复杂的转移工艺对器件带来可能的伤害。此外，采用激光图形化的加工方法，具有分辨率高、制备工艺简单、无需掩模版等优势，满足多种低功耗电子器件的需求。3、本专利技术提出的制造方法均采用实验室基本工艺流程，制备工艺简单、成本低、生产周期短，具有可大规模批量化生产的可能性。附图说明当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光图形化的自由式微型超级电容器，其特征在于包括：电纺丝纳米纤维、柔性电极、固态电解质及金属集流体；自下而上的结构分别是固态电解质、柔性电极与金属集流体；在电纺丝纳米纤维上滴涂碳纳米管得到柔性电极；所述电纺丝纳米纤维为通过电纺丝工艺制备而得，如聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)、聚氨基甲酸酯(polyurethane，PU)；所述柔性电极附着多壁碳纳米管(carbon nanotube，CNT)或其他具有柔性特质的电极；所述固态电解质为凝胶聚合物，包括聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)与磷酸(H3PO4)、硫酸(H2SO4)、氯化锂(LiCl)的聚合物；所述金属集流体为导电性良好的金属金(Au)、铜(Cu),柔性电极:具有平面式叉指结构的叉指电极，叉指电极对向排列，分别作为微型超级电容器的正、负极。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光图形化的自由式微型超级电容器，其特征在于包括：电纺丝纳米纤维、柔性电极、固态电解质及金属集流体；自下而上的结构分别是固态电解质、柔性电极与金属集流体；在电纺丝纳米纤维上滴涂碳纳米管得到柔性电极；所述电纺丝纳米纤维为通过电纺丝工艺制备而得，如聚偏氟乙烯(polyvinylidenefluoride，PVDF)、聚氨基甲酸酯(polyurethane，PU)；所述柔性电极附着多壁碳纳米管(carbonnanotube，CNT)或其他具有柔性特质的电极；所述固态电解质为凝胶聚合物，包括聚乙烯醇(polyvinylalcohol，PVA)与磷酸(H3PO4)、硫酸(H2SO4)、氯化锂(LiCl)的聚合物；所述金属集流体为导电性良好的金属金(Au)、铜(Cu),柔性电极:具有平面式叉指结构的叉指电极，叉指电极对向排列，分别作为微型超级电容器的正、负极。2.根据权利要求1所述的一种基于激光图形化的自由式微型超级电容器，其特征在于直接贴附于多种柔性电子器件的表面；与可穿戴设备和低功耗电子器件如各类传感器相集成。3.根据权利要求1所述的一种基于激光图形化的自由式微型超级电容器，其特征在于叉指结构单值宽度为200-800μm，叉指长度为0.5-2cm，叉指数量为4-8个。4.一种基于激光图形化的自由式微型超级电容器制造方法，其特征在于采用微型超级电容器平面式叉电极结构及串并联结构，采用电解质转移与激光图形化加工步骤。5.根据权利要求1所述的一种基于激光图形化的自由式微型超级电容器制造方法，其特征在于含有以下步骤；步骤1)、通过称量将PVDF加入丙酮(acetone)与二甲基甲酰胺(dimethylformamide，DMF)的混合有机溶剂中，通过磁力搅拌得到PVDF溶液；步骤2)、通过静电纺丝的工艺，施加高电压将PVDF溶液以杂乱排序的方式沉积在背电极上，得到纳米纤维状结构的PVDF纺丝；步骤3)、通过称量将CNT与表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(sodiumdodecylbenzenesulfonate，SDBS)混合加入去离子水中，通过超声得到碳纳米管溶液(CNTink)；步骤4)、通过滴加烘干的工艺，将CNTink...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海霞，宋宇，陈学先，陈号天，苏宗明，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11