超级电容器电极及其制备方法和超级电容器技术

本发明专利技术提供了制备超级电容器电极的方法，该方法包括：(1)将光刻胶和纳米模板材料混合，以便获得原料混合物；(2)将原料混合物旋涂于衬底上，以便获得原料混合物薄膜；(3)对原料混合物薄膜进行光刻处理，以便获得图形化薄膜；(4)对图形化薄膜进行碳化处理，以便获得经过碳化处理的薄膜；(5)去除经过碳化处理的薄膜中的纳米模板材料，以便获得多孔碳薄膜；以及(6)对多孔碳薄膜作电沉积处理进行活性材料修饰，以便获得超级电容器电极。通过该方法，能够快速有效地制备获得活性材料分布均匀、且活性材料具有一定上载量的超级电容器电极。

Supercapacitor electrode, method for producing the same, and supercapacitor

The invention provides a preparation method of super capacitor electrode, the method comprises the following steps: (1) the mixed adhesive and nano lithography template material, so as to obtain a mixture of raw materials; (2) the raw material mixture is spin coated on the substrate, in order to obtain the raw material mixture film; (3) the raw material mixture film lithography process and in order to obtain graphical films; (4) the graphical films treated by carbonation after carbonization treatment in order to obtain films; (5) after removal of nano material film template carbonization process in order to obtain the porous carbon film; and (6) for the electrodeposition of active material modification of porous carbon film. In order to obtain a super capacitor electrode. By this method, a supercapacitor electrode with uniform distribution of active material and a certain amount of active material can be prepared rapidly and efficiently.

【技术实现步骤摘要】
超级电容器电极及其制备方法和超级电容器
本专利技术涉及材料、电化学和微加工
，具体地，涉及超级电容器电极及其制备方法和超级电容器。
技术介绍
超级电容器(Supercapacitor,Ultracapacitor,Electrochemicalcapacitor)是现阶段重要的一类电能存储器件。与电池相比，超级电容具有良好的功率输出能力与循环寿命，但能量密度相对不足。超级电容器利用电极和电解液界面所产生的双电层(Electrochemicaldoublelayer)效应和赝电容(Pseudocapacitance)效应进行能量存储，其中赝电容具有更高的储能密度，在提升超级电容能量密度方面具有研究价值。在微机电系统(Microelectro-mechanicalsystem，MEMS)中，微型超级电容器极具应用潜力：高功率密度有望在较小尺度上满足系统对功率的需求，长寿命适合需要长期工作，又难以维护与替换的各种应用场景。其核心问题是需要在单位芯片面积上获得尽可能高的性能，同时具有良好的可加工性，尤其可与现阶段微加工技术相结合。因此，在结构设计方面，可向垂直于衬底的第三维方向延伸的叉指三维电极结构得到较广泛认可。从与微加工工艺兼容的批量单元制造角度考虑，直接利用光刻胶图形化，进而碳化形成碳电极是一种新的器件加工方式。为获得更好的电容性能，有研究者通过设计材料微观结构以提升其比表面积和电容量，提出直接成型的多孔材料及成型方法，以批量加工介孔超级电容电极。然而，由于碳电极双电层电容机理的限制，电容量仍然受限。将双电层材料与过渡金属氧化物、导电聚合物等赝电容材料相结合可改善其综合性能。因此，对直接成型多孔碳电极进行赝电容材料的修饰，将对其实际应用有一定意义。已报道的对双电层材料的修饰，一般是在双电层材料骨架开放的外表面进行活性材料生长，而结合直接成型多孔碳材料的特性，需要在电极内部非规则孔道中生长。其孔道长度长但直径小，极易发生因为孔道堵塞而造成的电极体内生长不均匀、赝电容材料上载量不足等问题。因而，目前的制备超级电容电极的方法仍有待改进。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种制备活性材料分布均匀或者活性材料具有一定上载量的超级电容器电极的方法。在本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种制备超级电容器电极的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：(1)将光刻胶和纳米模板材料混合，以便获得原料混合物；(2)将原料混合物旋涂于衬底上，以便获得原料混合物薄膜；(3)对原料混合物薄膜进行光刻处理，以便获得图形化薄膜；(4)对图形化薄膜进行碳化处理，以便获得经过碳化处理的薄膜；(5)去除经过碳化处理的薄膜中的纳米模板材料，以便获得多孔碳薄膜；以及(6)对多孔碳薄膜作电沉积处理进行活性材料修饰，以便获得超级电容器电极。专利技术人发现，通过根据本专利技术实施例的该方法，能够快速有效地制备获得活性材料分布均匀、且活性材料具有一定上载量的超级电容器电极，特别是微型超级电容器电极，且含有该超级电容器电极的超级电容器具有较高的能量密度、较好的循环性能和较长的使用寿命。根据本专利技术的实施例，步骤(1)中，光刻胶为选自SU-82000系列光刻胶。根据本专利技术的实施例，步骤(1)中，纳米模板材料为选自纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米多孔硅胶中的至少一种。根据本专利技术的实施例，步骤(1)中，在原料混合物中，光刻胶中的有效成分和纳米模板材料的质量比为20～1：1。根据本专利技术的实施例，步骤(1)包括：向光刻胶中加入纳米模板材料，并将所得到的混合物依次进行超声分散及搅拌处理，以便获得原料混合物。根据本专利技术的实施例，步骤(2)包括：以200-4000转/分钟的转速，将原料混合物旋涂于衬底上，并于80～100摄氏度下，将涂覆有原料混合物的衬底进行前烘3～30分钟。根据本专利技术的实施例，步骤(3)中，光刻处理是通过依次对原料混合物薄膜进行曝光、后烘、显影和坚膜进行的。根据本专利技术的实施例，步骤(3)包括：(3-1)利用光刻机对原料混合物薄膜进行曝光，其中，曝光总剂量为60～3000mJ/cm2；(3-2)于80～100摄氏度下，将步骤(3-1)中得到的产品进行后烘3～30分钟；(3-3)将步骤(3-2)中得到的产品进行显影；以及(3-4)于180～220摄氏度下，将步骤(3-3)中得到的产品进行坚膜5～60分钟。根据本专利技术的实施例，步骤(4)中，碳化处理是于惰性气氛中，对图形化薄膜进行加热进行的。根据本专利技术的实施例，步骤(4)包括：(4-1)于惰性气氛中，将图形化薄膜加热至250～350摄氏度并保温10～120分钟；以及(4-2)将步骤(4-1)得到的产品加热至600～1500摄氏度并保温10～300分钟。根据本专利技术的实施例，步骤(5)包括：(5-1)利用蚀刻液，对经过碳化处理的薄膜中的纳米模板材料进行蚀刻；以及(5-2)利用乙醇和去离子水的混合液，对步骤(5-1)得到的产品进行浸泡清洗。根据本专利技术的实施例，步骤(5-1)中，蚀刻液为氢氟酸、水和乙醇的混合液。根据本专利技术的实施例，基于蚀刻液的总体积，氢氟酸的体积分数为5～20％，乙醇的体积分数为30～80％，水的体积分数为15～50％。根据本专利技术的实施例，步骤(6)中，以含有二价锰离子的溶液作为沉积液。根据本专利技术的实施例，沉积液中，二价锰离子的浓度不低于0.02mol/L。根据本专利技术的实施例，步骤(6)中，电沉积是采用阴阳极交错的电位、周期沉积的方式进行的。根据本专利技术的实施例，步骤(6)中，初始阴极沉积电位为-0.3～-0.5V，初始阳极沉积电位为0.2～0.5V。根据本专利技术的实施例，步骤(6)中，相邻两个沉积周期之间的间隔时间为60～300秒。根据本专利技术的实施例，步骤(6)中，每隔20～50个沉积周期，将初始阴极沉积电位和初始阳极沉积电位的幅度分别增加0.05～0.2V。根据本专利技术的实施例，步骤(6)进一步包括：对电沉积所得到的产物浸入去离子水中浸泡清洗。在本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种超级电容器电极。根据本专利技术的实施例，该超级电容器电极是通过前面所述的方法制备的。专利技术人发现，在该超级电容器电极中，活性材料分布均匀性好，活性材料具有一定的上载量，能够满足使用要求，且含有该超级电容器电极的超级电容器具有较高的能量密度、优异的循环性能和较长的使用寿命。在本专利技术的再一方面，本专利技术提供了一种超级电容器。根据本专利技术的实施例，该超级电容器包含前面所述的超级电容器电极。根据本专利技术实施例的超级电容器具有前面所述的超级电容器电极的所有特征和优点，在此不再一一赘述。附图说明图1显示了根据本专利技术的实施例，电沉积过程中施加的沉积电位的示意图；图2显示了根据本专利技术的实施例，未经修饰的多孔碳材料和经二氧化锰修饰的超级电容器电极的扫描电镜照片；图3显示了根据本专利技术的实施例，未经修饰的多孔碳材料和经二氧化锰修饰的超级电容器电极的典型循环伏安曲线图；图4显示了根据本专利技术的实施例，对称片上单元图片及未经修饰的多孔碳材料和经二氧化锰修饰的超级电容器电极的循环伏安曲线图。图5显示了对比例1所得样品的微观形貌和元素分布结果图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例。下面描述的实施例是示例性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备超级电容器电极的方法，其特征在于，包括：(1)将光刻胶和纳米模板材料混合，以便获得原料混合物；(2)将所述原料混合物旋涂于衬底上，以便获得原料混合物薄膜；(3)对所述原料混合物薄膜进行光刻处理，以便获得图形化薄膜；(4)对所述图形化薄膜进行碳化处理，以便获得经过碳化处理的薄膜；(5)去除所述经过碳化处理的薄膜中的所述纳米模板材料，以便获得多孔碳薄膜；(6)对所述多孔碳薄膜作电沉积处理进行活性材料修饰，以便获得所述超级电容器电极。

【技术特征摘要】
1.一种制备超级电容器电极的方法，其特征在于，包括：(1)将光刻胶和纳米模板材料混合，以便获得原料混合物；(2)将所述原料混合物旋涂于衬底上，以便获得原料混合物薄膜；(3)对所述原料混合物薄膜进行光刻处理，以便获得图形化薄膜；(4)对所述图形化薄膜进行碳化处理，以便获得经过碳化处理的薄膜；(5)去除所述经过碳化处理的薄膜中的所述纳米模板材料，以便获得多孔碳薄膜；(6)对所述多孔碳薄膜作电沉积处理进行活性材料修饰，以便获得所述超级电容器电极。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述光刻胶为SU-82000系列光刻胶，任选地，步骤(1)中，所述纳米模板材料为选自纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米多孔硅胶中的至少一种，任选地，步骤(1)中，在所述原料混合物种，所述光刻胶中的有效成分和所述纳米模板材料的质量比为20～1：1，任选地，步骤(1)包括：向所述光刻胶中加入所述纳米模板材料，并将所得到的混合物依次进行超声分散及搅拌处理，以便获得所述原料混合物。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：以200-4000转/分钟的转速，将所述原料混合物旋涂于所述衬底上，并于80～100摄氏度下，将涂覆有所述原料混合物的衬底进行前烘3～30分钟。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述光刻是通过依次对所述原料混合物薄膜进行曝光、后烘、显影和坚膜进行的，任选地，步骤(3)包括：(3-1)利用光刻机对所述原料混合物薄膜进行曝光，其中，所述曝光总剂量为60～3000mJ/cm2；(3-2)于80～100摄氏度下，将步骤(3-1)中得到的产品进行后烘3～30分钟；(3-3)将步骤(3-2)中得到的产品进行显影；(3-4)于180～220摄氏度下，将步骤(3-3)中得到的产品进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓红，李四维，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11