[發明專利]非對稱微型鋰離子電容及其制作方法

在審

• 申請號: 201510058696.8
• 申請日: 2015-02-04
• 公開（公告）號: CN104658762A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發明（設計）人: 王曉紅;李四維
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01G11/06
• 分類號: H01G11/06;H01G11/50;H01G11/84;H01G11/86
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

技術領域

本發明屬于微能源和微機械加工領域，具體涉及非對稱微型鋰離子電容及其制作方法。

技術背景

超級電容器(Supercapacitor,Ultracapacitor,Electrochemical?capacitor)與二次電池(Secondary?battery)是現階段最重要的兩類電能存儲器件。超級電容利用電極和電解液界面所產生的雙電層(Electrochemical?double?layer)效應和贗電容(Pseudocapacitance)效應進行儲能；而二次電池，以鋰離子電池(Li-ion?battery)為代表，通過電極體相的可逆化學反應存儲能量。對比二次電池與超級電容，前者具有容量上的優勢，可取得高能量密度，而后者可提供更高的功率輸出，且具有更好的充放電循環壽命和更高的充放電效率。

電極材料是決定儲能器件性能的關鍵因素。基于不同機理的電極材料將具有不同的容量、工作電位以及充放電速率，從而決定器件的能量密度與功率密度等性能指標。合理的電極材料配制對器件性能至關重要。使用單一電極材料的對稱雙電層超級電容，往往在容量與工作電壓范圍上受限，引入贗電容電極與雙電層電極組成的非對稱超級電容可以提高器件容量，同時擴大器件整體電壓范圍，提高儲能能力。而在一個器件單元中將超級電容電極與鋰離子電池兩類電極結合形成的非對稱鋰離子電容器件[(a)An?asymmetric?hybrid?nonaqueous?energy?storage?cell,J.Electrochem.Soc,148(8),pp.A930-939,2001.(b)High-energy-density?graphite/AC?capacitor?in?organic?electrolyte,J.Power?Sources,vol.177(2),pp.643-651,2008.]，可利用電池電極更高的容量以提升器件容量，同時取得更寬的器件工作電壓范圍。

在微機電系統(Micro?electro-mechanical?system，MEMS)中，微型超級電容極具應用潛力，其核心問題是需要在單位芯片面積上獲得盡可能高的性能，因此，相關工作集中于良好的器件結構設計，以及先進電極材料兩個方面。而在結構設計方面，現階段，可向垂直于芯片面積的第三維方向延伸的三維電極結構得到較廣泛認可，目前微型超級電容的電極多采用三維插指型結構，如W.Sun等人在2009年，和D.Pech等人在2010年的成果，然而實現該結構的工藝仍然不具有較好的三維可延伸性，只能實現較薄的電極[(a)Fabrication?and?tests?of?a?novel?three?dimensional?micro?supercapacitor.Microelectronic?Engineering,86(4-6):1307-1310，2009.(b)Elaboration?of?a?microstructured?inkjet-printed?carbon?electro-chemical?capacitor.Journal?of?Power?Sources,195(4):1266-1269,2010.]。Y.Q.Jiang分別在2009年和2010年^[6]所發表的成果，其用垂直生長的碳納米管叢林實現了可向第三維延伸的微型超級電容電極，然而該電極材料本身體積密度很低，單位體積儲能并不高[(a)Planar?MEMS?supercapacitor?using?carbon?nanotube?forests.IEEE?22nd?International?Conference?on?Micro?Electro?Mechanical?Systems,MEMS,587-590,2009.(b)3D?supercapacitor?using?nickel?electroplated?vertical?aligned?carbon?nanotube?array?electrode.IEEE?23rd?International?Conference?on?Micro?Electro?Mechanical?Systems,MEMS,1171-1174,2010.]。C.W.Shen在2011年和H.X.Xing在2013年對相關問題上進行了一定程度的改善[(a)A?high-performance?three-dimensional?micro?supercapacitor?based?on?self-supporting?composite?materials,Journal?of?Power?Sources,196(23):10465-10471,2011.(b)Fabrication?and?tests?of?a?3-D?micro?supercapacitor?using?SU-8photoresist?as?the?separator,Micro&Nano?Letters,7(12):1166–1169,2012]。在材料方面，微型超級電容大多數采用對稱設計，非對稱微型超級電容工作實現了對性能的改善[A?high-energy-density?micro?supercapacitor?of?asymmetric?MnO₂-cabron?configuration?by?using?micro-fabrication?technologies,Journal?of?Power?Sources,234:302-309,2013.]，而鋰離子電容通過機理改善，可以進一步提升器件儲能能力。