【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微型储能器件，尤其涉及一种基于飞秒激光加工表面微纳结构化石墨烯超级电容器及其制备方法。
技术介绍
1、随着社会对小型化、多功能便携式电子设备的需求日益增长，高性能、便携式微型储能设备的制备显得尤为重要。微型超级电容器(msc)是微型储能设备的核心部件，具有功率密度高、循环稳定性高、安全可靠等优势，具备满足未来能源需求的潜力。石墨烯材料因其独特的导电性、比表面积大等优异特性，成为超级电容器电极材料的研究热点，然而，如何在石墨烯表面构建可控微纳结构以进一步提升电化学性能，仍是当前研究的难点。尽管在制造石墨烯基超级电容器方面已经提出了巨大的进步，但目前的方法（如电泳沉积技术、光刻、印刷工艺、化学气相沉积和其他化学方法），往往需要高温处理步骤、掩膜或多步化学合成等复杂步骤，难以实现高效高质量构筑电极表面可控微纳结构。激光直写技术能够实现精细的微纳结构加工，但在微型阵列器件的批量制造上效率有限，从而制约了其广泛应用。因此，本文提出了一种基于飞秒激光的表面微纳结构化石墨烯超级电容器的制备方法，以更好地兼顾加工精度和大规模制造的需求。
技术实现思路
1、本专利技术为了解决上述问题，而提供一种基于石墨烯的表面微纳结构化超级电容器，在石墨烯材料表面高效构建特定高质量的微纳结构，能够显著提升其电容性能。
2、一种表面微纳结构化叉指电极，所述的电极表面具有与叉指长轴方向平行的周期性光栅微纳结构；
3、所述的基底为具有氧化层的硅片基底，并涂覆盖了氧化石墨烯薄膜；>
4、所述氧化石墨烯采用hummers方法制备得到，氧化石墨烯片平均径向尺寸为20 um～30 um，旋涂氧化石墨烯膜厚度为50～300 nm；
5、所述硅片的氧化层为300nm；
6、所述的周期性光栅微纳结构的周期为680nm±20nm。
7、所述叉指电极的叉指数量为6个，电极长宽比为6：1，电极间隙为2.5～200 um。
8、所述的硅片基底为直径为3cm的圆形硅片。
9、本专利技术另一个目的是提供一种表面微纳结构化石墨烯叉指电极阵列，采上述的叉指电极，用5×5阵列结构，将5列超级电容器并联，其中每列由5个超级电容器串联。
10、本专利技术又一个目的是提供一种表面微纳结构化叉指电极的加工方法，包括：
11、1）将氧化石墨烯溶液进行超声分散处理，硅片用氧等离子体处理，使用旋涂法对硅片旋涂，干燥；
12、2）采用飞秒激光器加工装置，将图案使用切片化程序进行处理，将图案输入slm控制程序中；
13、3）激光光源的脉冲宽度为40fs，中心波长为800nm，调节激光加工功率为100～150mw，三维移动平台的扫描速度为0.001～0.2mm/s，光束线聚焦组件聚焦形成的焦线长度为10 .5mm，宽度为50μm，偏振方向可调。
14、所述的飞秒激光器加工装置包括：激光光源、能量调制组件、扩束组件、空间光调制器、偏振末端调节组件、光束线聚焦组件和三维移动平台；偏振末端调节组件用于调节改变加工加光的偏振方向。
15、本专利技术提供了石墨烯基表面微纳结构化超级电容器及其制备方法，有益效果是：制备具有表面微纳结构的超薄石墨烯超级电容器，厚度仅为纳米级，与电极表面无微纳结构的超级电容器相比，表面微纳结构具有纳米级周期性的光栅结构，表面多孔洞利于有利于增大比表面积，提供了更多的活性位点。同时，水平微纳结构可增强电场，从而有利于对电解质离子分布和迁移进行调控，提高电容性能。制备得周期性微纳光栅结构平行于叉指电极方向的超级电容器，在10mv/s扫描速率下，体积比电容达118.56 f/cm3，相较于微纳光栅结构垂直于叉指电极方向的超级电容器和无微纳结构超级电容器分别提高30.89%和116.86%，在循环5000次后仍然保持93.3%的电容保有率。同时，利用本文提出的方法可制备电极表面具有可控微纳结构的大面积超级电容器阵列，此方法能够制备表面微纳结构高度可控的大面积超级电容器阵列，通过精准调控电极表面结构，可显著提升电容器的能量存储性能，在便携式电子设备、智能穿戴设备、储能系统等领域的广阔应用潜力。
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1.一种表面微纳结构化石墨烯叉指电极，其特征在于：所述的电极表面具有与叉指长轴方向平行的周期性光栅微纳结构。
2.根据权利要求1所述的一种表面微纳结构化石墨烯叉指电极，其特征在于：所述的基底为具有氧化层的硅片基底，并涂覆盖了氧化石墨烯薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种表面微纳结构化石墨烯叉指电极，其特征在于：所述氧化石墨烯由Hummers方法制备得到，氧化石墨烯片平均径向尺寸为20 um～30 um，旋涂氧化石墨烯膜厚度为50～300 nm。
4.根据权利要求3所述的一种表面微纳结构化石墨烯叉指电极，其特征在于：所述硅片的氧化层为300nm。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种表面微纳结构化石墨烯叉指电极，其特征在于：所述的周期性光栅微纳结构的周期为680nm±20nm。
6.根据权利要求5所述的一种表面微纳结构化石墨烯叉指电极，其特征在于：所述叉指电极的叉指数量为6个，电极长宽比为6：1，电极间隙为2.5～200 um。
7.根据权利要求6所述的一种表面微纳结构化石墨烯叉指电极，其特征在于：所述的硅
8.一种表面微纳结构化石墨烯叉指电极阵列，其特征在于：采用权利要求6或7所述的叉指电极，采用5×5阵列结构，将5列超级电容器并联，其中每列由5个超级电容器串联。
9.权利要求1所述的一种表面微纳结构化叉指电极的加工方法，其特征在于：
10.根据权利要求1所述的一种表面微纳结构化叉指电极的加工方法，其特征在于：所述的飞秒激光器加工装置包括：激光光源、能量调制组件、扩束组件、空间光调制器、偏振末端调节组件、光束线聚焦组件和三维移动平台；偏振末端调节组件用于调节改变加工加光的偏振方向。
...【技术特征摘要】
1.一种表面微纳结构化石墨烯叉指电极，其特征在于：所述的电极表面具有与叉指长轴方向平行的周期性光栅微纳结构。
2.根据权利要求1所述的一种表面微纳结构化石墨烯叉指电极，其特征在于：所述的基底为具有氧化层的硅片基底，并涂覆盖了氧化石墨烯薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种表面微纳结构化石墨烯叉指电极，其特征在于：所述氧化石墨烯由hummers方法制备得到，氧化石墨烯片平均径向尺寸为20 um～30 um，旋涂氧化石墨烯膜厚度为50～300 nm。
4.根据权利要求3所述的一种表面微纳结构化石墨烯叉指电极，其特征在于：所述硅片的氧化层为300nm。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种表面微纳结构化石墨烯叉指电极，其特征在于：所述的周期性光栅微纳结构的周期为680nm±20nm。
6.根据权利要求5所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：辛巍，张誉元，孟伊洋，刘为振，徐海阳，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：
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