具有高柔性和透明性的微型超級電容器及其大規(guī)模制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超級電容器，特別是涉及一種可穿戴的具有高柔性和透明性的微型超級電容器及其大規(guī)模制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微米納米尺寸下的能量存儲單元已經(jīng)成為可穿戴移動電子器件限制因素，因此，在一個給定面積的微小芯片上實現(xiàn)高能量高功率的能量存儲的基礎(chǔ)上，同時實現(xiàn)器件的高柔性與高透明度對于器件的集成和應(yīng)用具有重要的意義。
[0003]最近，芯片上的微型超級電容器用作微型電子器件的能源供應(yīng)已經(jīng)引起了極大的關(guān)注。在目前，微型電容器依據(jù)能量存儲過程中是否發(fā)生表面或近表面氧化還原反應(yīng)，被分為雙電層微型電容和贗電容微型電容。前者被研宄的主要材料是各種高比比表面的碳材料，后者則主要涉及過渡金屬氧化物和導(dǎo)電高分子以及一些氮化物和硫化物。提高微型電容器的面積比容量和體積比容量的一個有效方式是去發(fā)展贗電容電容器，它在低掃速下通過可逆的氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)電化學(xué)能量的存儲。然而，微電極材料低的電子傳導(dǎo)很難在一個快速的充放電過程中工作，暗示著一個低的功率密度。同時，由于技術(shù)限制暫時還不能準備出日常人們需要的透明柔性儲能器件。因此，發(fā)展一個具有高柔性和透明性微型超級電容器是一個具有極大挑戰(zhàn)和重要意義的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有而提出具有高柔性和透明性的微型超級電容器及其大規(guī)模制備方法，增強了器件的贗電容容量，進而提高電容器的能量和功率密度。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:具有高柔性和透明性的微型超級電容器，包括有基底，其上沉積有集流體金屬形成叉指電極，其特征在于所述的聚苯胺/碳復(fù)合材料通過靜電紡絲將負載到叉指電極上，形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)納米線結(jié)構(gòu)，其上還通過原子層沉積包覆有五氧化二釩。
[0006]按上述方案，所述的基底包括:聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚苯乙烯(PS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
[0007]按上述方案，所述的原子層沉積的溫度為:100°C至250°C。
[0008]按上述方案，所述的集流體金屬材料為:金、鎳、銅或銀。
[0009]按上述方案，所述的叉指電極的寬度范圍為:50微米至200微米。
[0010]所述的高柔性和透明性的微型超級電容器的大規(guī)模制備方法，包含有以下步驟:
[0011]I)在基底上用勻膠機涂布光刻膠；
[0012]2)在步驟I)的基礎(chǔ)上，利用光刻蝕技術(shù)制備出微米級叉指結(jié)構(gòu)；
[0013]3)在步驟2)的基礎(chǔ)上，在微米級叉指結(jié)構(gòu)上利用物理氣相沉積技術(shù)在其表面蒸鍍上一層集流體金屬，形成叉指電極；
[0014]4)在步驟3)的基礎(chǔ)上，通過靜電紡絲技術(shù)利用將聚苯胺/碳復(fù)合材料紡在集流體金屬上，形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)納米線結(jié)構(gòu)；
[0015]5)在步驟4)的基礎(chǔ)上，利用原子層沉積技術(shù)在聚苯胺/碳復(fù)合材料納米線上均勻包覆上一層五氧化二隹凡;
[0016]6)在步驟5)的基礎(chǔ)上，通過剝離技術(shù)除去叉指電極之間的材料。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提出了一種具有高柔性和透明性微型超級電容器的大規(guī)模制備方法，特征在于通過構(gòu)筑三維導(dǎo)電納米線網(wǎng)絡(luò)，增加電解質(zhì)離子與電極材料間電荷的交換，在其表面進行的五氧化二釩(V2O5)原子層沉積包覆，增強了器件的贗電容容量，進而提高電容器的能量和功率密度。同時，由于納米線網(wǎng)絡(luò)的存在，方便容易地實現(xiàn)了器件的高柔性與高透明性。
【附圖說明】
[0018]圖1是實施例1的構(gòu)筑高柔性和透明性微型超級電容器器件的流程圖；
[0019]圖2是實施例1的器件的電子掃描顯微鏡圖及能譜圖；
[0020]圖3是實施例1的循環(huán)伏安圖曲線；
[0021]圖4是實施例1的高柔性和透明性微型超級電容器的大規(guī)模制備實例圖。
具體實施方案
[0022]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。
[0023]實施例1:
[0024]如圖1所示，具有高柔性和透明性微型超級電容器的制備方法，它包括如下步驟:
[0025]I)在PET基底上用勻膠機涂布光刻膠LOR3A，轉(zhuǎn)速為4000rpm，旋涂時間為40s，隨后用電熱板185°C烤膠5min，隨后再在其表面涂布光刻膠S1805，轉(zhuǎn)速為4000rpm，旋涂時間為40s，隨后用電熱板115°C烤膠5min ；
[0026]2)利用紫外光刻蝕技術(shù)制備80微米寬的叉指結(jié)構(gòu)；
[0027]3)金屬熱蒸發(fā)(PVD):使用熱蒸發(fā)鍍膜儀在基底上蒸金屬電極Cr/Au(5nm/20nm)，形成叉指電極；
[0028]4)電紡液的配制:先將聚乙烯醇配為質(zhì)量百分比濃度10%的水凝膠，然后把聚苯胺/碳復(fù)合材料分散在氯仿中，攪拌分散15min ;
[0029]5)在9kV的高壓下在叉指電極表面上電紡一層聚苯胺/碳復(fù)合材料，形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)納米線結(jié)構(gòu)；
[0030]6)在聚苯胺/碳復(fù)合材料納米線表面在100°C溫度下利用原子層沉積技術(shù)沉積五氧化二釩；
[0031]7)將器件進行低溫200°C退火處理；
[0032]8)將器件放在丙酮中靜置12h，使叉指電極之間的材料全部剝離，然后用丙酮和異丙醇沖洗基片，氮氣吹干；
[0033]9)配置電解質(zhì)溶液，滴上NaNO3水溶液電解質(zhì)，進行性能測試；
[0034]對器件進行掃描電鏡測試，如圖2所示，所獲得的電極材料為三維導(dǎo)電納米線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且構(gòu)成電極材料的元素有C、O、V證明了電極材料確實為五氧化二釩(V2O5)包覆聚苯胺/碳復(fù)合材料，使用NaNO3作為電解液進行電化學(xué)測試，如圖3所示，在0-0.8V區(qū)間充放電的過程中，五氧化二釩(V2O5)包覆的三維導(dǎo)電納米線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極材料的容量明顯高于未包覆的傳統(tǒng)電極材料，通過循環(huán)伏安法計算得知，在0.02V/s掃速時，五氧化二釩(V2O5)包覆的三維導(dǎo)電納米線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極材料的體積比容量約為17.5F cm_3，如圖4所示，該器件可以集成化制備，并且同樣具備透明柔性。
[0035]實施例2:
[0036]具有高柔和透明性微型超級電容器的制備方法，它包括如下步驟:
[0037]I)在PET基底上用勻膠機涂布光刻膠L0R3A，轉(zhuǎn)速為4000rpm，旋涂時間為40s，隨后用電熱板185°C烤膠5min，隨后再在其表面涂布光刻膠S1805，轉(zhuǎn)速為4000rpm，旋涂時間為40s，隨后用電熱板115°C烤膠5min ；
[0038]2)利用紫外光刻蝕技術(shù)制備80微米寬的叉指結(jié)構(gòu)；
[0039]3)金屬熱蒸發(fā)(PVD):使用熱蒸發(fā)鍍膜儀在基底上蒸金屬電極Cr/Au(5nm/20nm)，形成叉指電極；
[0040]4)電紡液的配制:先將聚乙烯醇配為10%的水凝膠，然后把聚苯胺/碳復(fù)合材料分散在氯仿中，攪拌分散15min ;
[0041]5)在9kV的高壓下在叉指電極表面上電紡一層聚苯胺/碳復(fù)合材料，形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)納米線結(jié)構(gòu)；
[0042]6)在聚苯胺/碳復(fù)合材料納米線表面在100°C溫度下利用原子層沉積技術(shù)沉積五氧化二釩；
[0043]7)將器件進行低溫200°C退火處理；
[0044]8)將器件放在丙酮中靜置12h，使叉指電極之間的材料全部剝離，然后用丙酮和異丙醇沖洗基片，氮氣吹干；
[0045]9)配置電解質(zhì)溶液，滴上Na2SO4水溶液電解質(zhì)，進行性能測試。
[0046]對器件進行掃描電鏡測試，所得的電極材料為三維納米線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且構(gòu)成電極材料的元素有C、0、V證明了電極材料確實為五氧化二釩(V2O5)包覆聚苯胺/碳復(fù)合材料，使用Na2SO4作為電解液進行電化學(xué)測試，在0-0.8V區(qū)間充放電的過程中，五氧化二釩(V2O5)包覆的三維導(dǎo)電納米線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極材料的容量明顯高于未包覆的傳統(tǒng)電極材料，通過循環(huán)伏安法計算得知，在0.02V/s掃速時，五氧化二釩(V2O5)包覆的三維導(dǎo)電納米線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極材料的體積比容量約為19.5F cm_3，并且該器件可以集成化制備，并且同樣具備透明柔性。
[0047]實施例3:
[0048]具有高柔性和透明性微型超級電容器的制備方法，它包括如下步驟:
[0049]I)在PET基底上用勻膠機涂布光刻膠L0R3A，轉(zhuǎn)速為4000rpm，旋涂時間為40s，隨后用電熱板185°C烤膠5min，隨后再在其表面涂布光刻膠S1805，轉(zhuǎn)速為4000rpm，旋涂時間為40s，隨后用電熱板115°C烤膠5min ；
[0050]2)利用紫外光刻蝕技術(shù)制備80微米寬的叉指結(jié)構(gòu)；
[0051]3)金屬熱蒸發(fā)(PVD):使用熱蒸發(fā)鍍膜儀在基底上蒸金屬電極Cr/Au(5nm/20nm)，形成叉指電極；
[0052]4)電紡液的配制:先將聚乙烯醇配為10%的水凝膠，然后把聚苯胺/碳復(fù)合材料分散在氯仿中，攪拌分散15min ;
[0053]5)在9kV的高壓下在叉指電極表面上電紡一層聚苯胺/碳復(fù)合材料，形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)納米線結(jié)構(gòu)；
[0054]6)在聚苯胺/碳復(fù)合材料納米線表面在100°C溫度下利用原子層沉積技術(shù)沉積五氧化二釩；
[0055]7)將器件進行低溫200°C退火處理；
[0056]8)將器件放在丙酮中靜置12h，使叉指電極之間的材料全部剝離，然后用丙酮和異丙醇沖洗基片