專利名稱：一種導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超級電容器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對綠色能源和生態(tài)環(huán)境越來越關(guān)注。超級電容器又稱電化學(xué)電容器，是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲能器件。與傳統(tǒng)蓄電池相比，超級電容器具有較高的能量密度、功率密度和長循環(huán)壽命等，作為一種清潔、高效的新型儲能器件，受到越來越多研究人員的關(guān)注，超級電容器技術(shù)的發(fā)展核心是電極材料。按照超級電容器研究領(lǐng)域的國際權(quán)威B. E. Conway教授對超級電容器的定義，可以將其分為兩類一類是雙電層電容器，代表材料為多孔碳材料(活性炭、碳纖維、碳納米管等)；另一類是贗電容 器，代表材料為金屬氧化物(Ru02、IrO2等)以及導(dǎo)電聚合物(聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及其衍生物)。導(dǎo)電聚合物制備的超級電容器具有成本低、容量高、充放電時間短、環(huán)境友好和安全性高等優(yōu)點，因此導(dǎo)電聚合物作為電極材料的研究引起了人們廣泛的興趣。目前導(dǎo)電聚合物薄膜多以電化學(xué)聚合的方法與無機材料復(fù)合制備超級電容器電極。其中，涉及到的專利申請有一種導(dǎo)電聚苯胺聚卩比咯復(fù)合膜的制備方法(文獻號CN102020845A);—種導(dǎo)電聚吡咯的制備方法(文獻號CN101979438A);三維結(jié)構(gòu)聚吡咯微電極及其制造方法(文獻號CN101950685A)。以上制備的導(dǎo)電聚合物薄膜用于修飾電極，比容量高，器件性能好，但電化學(xué)工藝復(fù)雜，可控性弱。而目前對于直接氧化聚合制備導(dǎo)電聚合物薄膜電極還鮮有報導(dǎo)，該方法制備出的薄膜不僅性能優(yōu)良，且方法簡單，易操作。微電子機械系統(tǒng)(MEMS)具有移動性、自控性、集成化等特點，是近年來最重要的技術(shù)創(chuàng)新之一。當一個子系統(tǒng)可以集成在一塊芯片上時，電源也必須完成小型化、微型化的革命。MEMS微能源系統(tǒng)是基于MEMS技術(shù)，將一個或多個電能供給裝置集成一個特征尺寸為微米級、外觀尺寸為厘米級的微系統(tǒng)，能實現(xiàn)長時間、高效能、多模式供電，特別適用于傳統(tǒng)電源無法供應(yīng)的某些特殊環(huán)境。電子產(chǎn)品小型化、微型化、集成化是當今世界技術(shù)發(fā)展的大趨勢，電源微型化、可集成化也是當今世界技術(shù)發(fā)展的大趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有微型超級電容器電極制備方法中存在的方法單一、過程復(fù)雜的技術(shù)問題，提供一種導(dǎo)電聚合物修飾的微型超級電容器及其制備方法。本發(fā)明提供的導(dǎo)電聚合物修飾的微型超級電容器由若干個微型電容器結(jié)構(gòu)串、并聯(lián)而成，每個微型電容器結(jié)構(gòu)米用MEMS技術(shù)制作于同一娃襯底材料中、金屬電極表面沉積導(dǎo)電聚合物薄膜,具有比容量大和集成度高的特點。本發(fā)明技術(shù)方案如下—種導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器,包括娃基片和設(shè)置于娃基片中的若干個微型電容器。所有微型電容器具有相同的結(jié)構(gòu)；每個微型電容器包括一對設(shè)置于娃基片中的微型凹槽，兩個微型凹槽之間具有一個隔離柱，所述隔離柱的高度低于微型凹槽的深度；兩個微型凹槽的槽壁沉積有金屬電極層，金屬電極層表面沉積有導(dǎo)電聚合物薄膜；沉積了金屬電極層和導(dǎo)電聚合物薄膜的兩個微型凹槽分別作為微型電容器的陰極和陽極；兩個微型凹槽內(nèi)部灌注電解液后密封封裝于硅基片內(nèi)部。所有微型電容器相互并聯(lián)，形成超級電容器；或者先由相同數(shù)量的微型電容器相互串聯(lián)，形成一個串聯(lián)支路；再由若干個串聯(lián)支路相互并聯(lián)，形成超級電容器。上述導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器，其中所述金屬電極層材料為金屬鎳、鋁、鉬或鈦等；所述導(dǎo)電聚合物薄膜為聚苯胺薄膜、聚吡咯薄膜或聚噻吩薄膜；所述電解液為h2so4、H3PO4, NaNO3或KOH的水溶液。其中H2SO4水溶液的濃度在0. 5 lmol/L之間，H3PO4水溶液的濃度在0. 5 lmol/L之間，NaNO3水溶液的濃度在f 3mol/L之間，KOH水溶液的濃度在0. 5 lmol/L之間。需要說明的是，在每對微型凹槽構(gòu)成的微型電容器結(jié)構(gòu)中，兩個微型凹槽之間的隔離柱的作用是防止微型電容器兩極短路；同時隔離柱的高度要低于微型凹槽的深度，以確保電解液能夠在兩極之間流動。一種導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器的制備方法，包括以下步驟步驟I :采用兩片形狀和大小相同的硅基片，在每片硅基片上相同的區(qū)域刻蝕若干對微型凹槽，每對微型凹槽之間具有相同的隔離柱；步驟2 :將兩片硅基片的微型凹槽面對面地對準，并鍵合，得到若干對封閉于硅材料中的微型凹槽；步驟3 :將每對微型凹槽外加該對微型凹槽之間的隔離柱所對應(yīng)的整體區(qū)域上方的硅材料刻蝕掉，使得每對微型凹槽之間的隔離柱的高度低于微型凹槽的深度；步驟4 :在所有微型凹槽內(nèi)壁沉積金屬電極層，并用金屬導(dǎo)線引出；步驟5 :在步驟4所得金屬電極層表面沉積導(dǎo)電聚合物薄膜；步驟6 :在微型凹槽內(nèi)灌注電解液，然后密封封裝；密封封裝后的每一對微型凹槽形成一個微型電容器；步驟7:所有微型電容器相互并聯(lián)，形成超級電容器；或者先由相同數(shù)量的微型電容器相互串聯(lián)，形成一個串聯(lián)支路；再由若干個串聯(lián)支路相互并聯(lián)，形成超級電容器。上述導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器的制備方法中，所述金屬電極層材料為金屬鎳、鋁、鉬或鈦等；所述導(dǎo)電聚合物薄膜為聚苯胺薄膜、聚吡咯薄膜或聚噻吩薄膜；所述電解液為 0. 5 lmol/L 的 H2S04、0. 5 lmol/L 的 H3P04、I 3mol/L 的 NaNO3 或 0. 5 lmol/L 的KOH水溶液。本發(fā)明提供的導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器，由制作于單片硅襯底材料中的多個微型電容器串、并聯(lián)構(gòu)成；每個微型電容器米用MEMS技術(shù)制作,包括一對微型凹槽和處于兩個微型凹槽之間的隔離柱(隔離柱高度低于為型凹槽的深度)，微型凹槽內(nèi)壁先后沉積金屬電極層和導(dǎo)電聚合物薄膜，沉積好金屬電極層和導(dǎo)電聚合物薄膜的微型凹槽內(nèi)灌注點解液后密封封裝形成微型電容，多個微型電容采用串、并聯(lián)技術(shù)最終形成超級電容器。本發(fā)明提供的導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器具有比容量大、集成度高的特點，可作為各種電源或儲能器件使用。


圖I為娃基片上鍛氣化娃層不意圖，I為氣化娃，2為娃基底。圖2為單片硅基片上的微型凹槽結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為硅-硅鍵合示意圖。圖4為鍵合、刻蝕后硅基片上微型凹槽結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為微型凹槽內(nèi)壁沉積金屬電極層不意圖，3為金屬電極層。、圖6為金屬電極層表面沉積導(dǎo)電聚合物薄膜不意圖,4為導(dǎo)電聚合物薄膜。圖7為多個微型電容并聯(lián)形成超級電容的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合實施方式對本發(fā)明做出進一步說明。一種導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器的制備方法，包括以下步驟步驟I :取兩片形狀和大小相同的潔凈的硅基片，采用PECVD工藝在其表面鍍一層氮化硅(如圖I所示)，然后采用光刻工藝在每片硅基片上相同的區(qū)域刻蝕若干對微型凹槽，每對微型凹槽之間具有相同的隔離柱(如圖2所示)。步驟2 :將兩片硅基片的微型凹槽面對面地對準，并鍵合，得到若干對封閉于硅材料中的微型凹槽(如圖3所示)。步驟3 :將每對微型凹槽外加該對微型凹槽之間的隔離柱所對應(yīng)的整體區(qū)域上方的硅材料刻蝕掉，使得每對微型凹槽之間的隔離柱的高度低于微型凹槽的深度(如圖4所示)。步驟4 :在所有微型凹槽內(nèi)壁沉積金屬電極層，并用金屬導(dǎo)線引出(如圖5所示)；金屬電極層的沉積方法可以采用真空蒸鍍法，電極材料可以是鎳、鋁、鉬、鈦等金屬。步驟5 :在步驟4所得金屬電極層表面沉積導(dǎo)電聚合物薄膜；具體方法是，首先將三氯化鐵或?qū)谆交撬徼F氧化劑、硬脂酸輔助成膜劑、三氯甲烷溶劑按2 I 10的比例混合均勻，然后用微量注射器將混合液鋪展于亞相(去離子水)上；然后采用提拉工藝，在金屬電極層表面得到一層幾十到幾百納米厚的氧化劑薄膜；最后將氧化劑薄膜浸在苯胺單體、吡咯單體或噻吩單體中，30分鐘后取出烘干，并用乙醇沖洗干凈，便在金屬電極上得到一層導(dǎo)電聚合物薄膜(如圖6所示)。步驟6 :在微型凹槽內(nèi)灌注電解液，然后密封封裝；密封封裝后的每一對微型凹槽形成一個微型電容器；電解液可采用酸性或堿性電解液，如0. 5ml/L^lmol/L硫酸(H2SO4)、
0.5mol/L lmol/L憐酸(H3PO4)、lmol/L 3mol/L硝酸納(NaNO3) >0. 5mol/L lmol/L氧氧化鐘(KOH)等。步驟7 :所有微型電容器相互并聯(lián)，形成超級電容器；或者先由相同數(shù)量的微型電容器相互串聯(lián)，形成一個串聯(lián)支路；再由若干個串聯(lián)支路相互并聯(lián)，形成超級電容器。本發(fā)明利用MEMS技術(shù)將多個微型電容器集成于單一硅基片中，多個微型電容器之間通過并聯(lián)(或串聯(lián)后再并聯(lián))方式形成超級電容器。在微型電容器制作過程中，在蒸鍍的金屬電極上用簡單有效的直接化學(xué)聚合導(dǎo)電聚合物薄膜，用以修飾電容器電極來提高微電極比容量，降低等效串聯(lián)電阻(ESR)等。本發(fā)明提供的導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器具 有比容量大、集成度高的特點，可作為各種電源或儲能器件使用。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器，包括娃基片和設(shè)置于娃基片中的若干個微型電容器； 所有微型電容器具有相同的結(jié)構(gòu)；每個微型電容器包括一對設(shè)置于硅基片中的微型凹槽，兩個微型凹槽之間具有一個隔離柱，所述隔離柱的高度低于微型凹槽的深度；兩個微型凹槽的槽壁沉積有金屬電極層，金屬電極層表面沉積有導(dǎo)電聚合物薄膜；沉積了金屬電極層和導(dǎo)電聚合物薄膜的兩個微型凹槽分別作為微型電容器的陰極和陽極；兩個微型凹槽內(nèi)部灌注電解液后密封封裝于硅基片內(nèi)部； 所有微型電容器相互并聯(lián)，形成超級電容器；或者先由相同數(shù)量的微型電容器相互串聯(lián)，形成一個串聯(lián)支路；再由若干個串聯(lián)支路相互并聯(lián)，形成超級電容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器，其特征在于，所述金屬電極層材料為金屬鎳、鋁、鉬或鈦。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器，其特征在于，所述導(dǎo)電聚合物薄膜為聚苯胺薄膜、聚吡咯薄膜或聚噻吩薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器，其特征在于，所述電解液為0.5 lmol/L 的 H2S04、0. 5 lmol/L 的 H3P04、I 3mol/L 的 NaNO3 或 0. 5 lmol/L 的 KOH 水溶液。
5.一種導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器的制備方法，包括以下步驟 步驟I :采用兩片形狀和大小相同的硅基片，在每片硅基片上相同的區(qū)域刻蝕若干對微型凹槽，每對微型凹槽之間具有相同的隔離柱； 步驟2 :將兩片硅基片的微型凹槽面對面地對準，并鍵合，得到若干對封閉于硅材料中的微型凹槽； 步驟3 :將每對微型凹槽外加該對微型凹槽之間的隔離柱所對應(yīng)的整體區(qū)域上方的硅材料刻蝕掉，使得每對微型凹槽之間的隔離柱的高度低于微型凹槽的深度； 步驟4 :在所有微型凹槽內(nèi)壁沉積金屬電極層，并用金屬導(dǎo)線引出； 步驟5 :在步驟4所得金屬電極層表面沉積導(dǎo)電聚合物薄膜； 步驟6 :在微型凹槽內(nèi)灌注電解液，然后密封封裝；密封封裝后的每一對微型凹槽形成一個微型電容器； 步驟7 :所有微型電容器相互并聯(lián)，形成超級電容器；或者先由相同數(shù)量的微型電容器相互串聯(lián)，形成一個串聯(lián)支路；再由若干個串聯(lián)支路相互并聯(lián)，形成超級電容器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器的制備方法，其特征在于，所述金屬電極層材料為金屬鎳、鋁、鉬或鈦。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器的制備方法，其特征在于，所述導(dǎo)電聚合物薄膜為聚苯胺薄膜、聚吡咯薄膜或聚噻吩薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器的制備方法，其特征在于，所述電解液為0.5 111101/1的112504、0.5 111101/1的1^04、1 311101/1的似勵3或0.5 111101/L的KOH水溶液。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器的制備方法，其特征在于，步驟5在金屬電極層表面沉積導(dǎo)電聚合物薄膜的具體方法是首先將三氯化鐵或?qū)谆交撬徼F氧化劑、硬脂酸輔助成膜劑、三氯甲烷溶劑按2 I 10的比例混合均勻，然后用微量注射器將混合液鋪展于亞相(去離子水)上；然后采用提拉工藝，在金屬電極層表面得到一層幾十到幾百納米厚的氧化劑薄膜；最后將氧化劑薄膜浸在苯胺單體、吡咯單體或噻吩單體中，30分鐘 后取出烘干，并用乙醇沖洗干凈，便在金屬電極上得到一層導(dǎo)電聚合物薄膜。
全文摘要
一種導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器及其制備方法，屬于超級電容器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用MEMS技術(shù)將多個微型電容器集成于單一硅基片中，多個微型電容器之間通過并聯(lián)(或串聯(lián)后再并聯(lián))方式形成超級電容器。所有微型電容器包括一對微型凹槽，兩個微型凹槽之間具有一個隔離柱，隔離柱的高度低于微型凹槽的深度；微型凹槽的槽壁沉積有金屬電極層和導(dǎo)電聚合物薄膜；微型凹槽內(nèi)部灌注電解液后密封封裝。微型電容器制作過程中，在金屬電極層上用簡單有效的直接化學(xué)聚合導(dǎo)電聚合物薄膜，用以修飾電容器電極來提高微電極比容量、降低等效串聯(lián)電阻。本發(fā)明提供的導(dǎo)電聚合物修飾的超級電容器具有比容量大、集成度高的特點，可作為各種電源或儲能器件使用。
文檔編號H01G9/26GK102709071SQ201210179910
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月4日
發(fā)明者徐建華, 楊亞杰, 楊文耀, 王偲宇, 陳燕, 龍菁 申請人:電子科技大學(xué)