[發(fā)明專(zhuān)利]電極結(jié)構(gòu)及其制備方法、石墨烯超級(jí)電容器及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710645370.4
• 申請(qǐng)日: 2017-08-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107610937A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 汪際軍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 全普光電科技（上海）有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01G11/24
• 分類(lèi)號(hào): H01G11/24;H01G11/26;H01G11/30;H01G11/36;H01G11/46;H01G11/52;H01G11/56;H01G11/70;H01G11/84;H01G11/86;B82Y30/00;B82Y40/00
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• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電極結(jié)構(gòu)及其制備方法、石墨烯超級(jí)電容器及其制備方法。

背景技術(shù)

超級(jí)電容器通過(guò)極化電介質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是可逆的。超級(jí)電容器的電容密度高，無(wú)需擔(dān)心過(guò)充或過(guò)放而影響其使用壽命的問(wèn)題，是一種綠色能源。然而，與現(xiàn)有的鋰離子電池相比，超級(jí)電容器的能量密度較低。

石墨烯被認(rèn)為是萬(wàn)能的材料，石墨烯應(yīng)用于超級(jí)電容器制備得到的石墨烯超級(jí)電容器，能量密度大為提高，循環(huán)穩(wěn)定性較好，可運(yùn)用時(shí)間長(zhǎng)，有望成為新一代能源。但是，現(xiàn)有的石墨烯超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還具有很多瓶頸，例如，能量密度還不能滿(mǎn)足人們對(duì)需求，石墨烯超級(jí)電容器的不能夠與現(xiàn)有的圖形化半導(dǎo)體工藝相兼容，如何架構(gòu)石墨烯超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高其能量存儲(chǔ)量和能量密度，并且使其更有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模化生產(chǎn)，是目前人們普遍探索的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服以上問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種電極結(jié)構(gòu)和石墨烯超級(jí)電容器，利用多層電極結(jié)構(gòu)來(lái)提高電容器的能量密度，并且使石墨烯超級(jí)電容器更適用于大規(guī)模化生產(chǎn)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種超級(jí)電容器的電極結(jié)構(gòu)，包括：

石墨烯薄膜；

位于石墨烯薄膜表面的由納米球構(gòu)成的第一半導(dǎo)體層；

位于第一半導(dǎo)體層上的第二半導(dǎo)體層，第二半導(dǎo)體層由納米線構(gòu)成，且每個(gè)納米球上均至少有一根納米線與之垂直接觸；

位于第二半導(dǎo)體層上的第三半導(dǎo)體層，第三半導(dǎo)體層由納米花構(gòu)成，且每根納米線上均至少有一顆納米花與之接觸；

在整個(gè)石墨烯薄膜表面上設(shè)置固態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電解質(zhì)滲透于第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層的間隙中，且將第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層包裹住，固態(tài)電解質(zhì)的頂部高于第三半導(dǎo)體層的頂部。

優(yōu)選地，所述第一半導(dǎo)體層的納米球是空心球。

優(yōu)選地，所述空心球?yàn)榘肟招那颍肟招那虻闹睆矫嫖挥谑┍∧け砻妫肟招那虻那蛎娉显O(shè)置，使得半空心球與石墨烯薄膜之間形成封閉空腔。

優(yōu)選地，空心球的內(nèi)徑為

優(yōu)選地，所述第二半導(dǎo)體層的納米線垂直生長(zhǎng)于所述空心球頂部的頂點(diǎn)。

優(yōu)選地，所述納米線的高度為1～10nm。

優(yōu)選地，所述納米花為從根部向外輻射開(kāi)的納米棒構(gòu)成，所述納米花的根部生長(zhǎng)于所述納米線的頂部。

優(yōu)選地，所述納米花的寬度為5～10nm，高度不大于10nm。

優(yōu)選地，在所述石墨烯薄膜的底部還設(shè)置有集流體層，所述石墨烯薄膜的圖案與集流體層的圖案相同。

優(yōu)選地，所述第一半導(dǎo)體層的材料為過(guò)渡族金屬氧化物。

優(yōu)選地，所述納米球的高度小于或等于所述納米線的高度，所述納米花的高度小于或等于所述納米線的高度，所述納米花的寬度小于或等于納米線的直徑，所述納米花的寬度小于或等于納米球的直徑。

優(yōu)選地，所述固態(tài)電解質(zhì)頂部具有多個(gè)凸起。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種上述電極結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括：

步驟01：制備具有襯底的石墨烯薄膜；

步驟02：在石墨烯薄膜表面合成納米球，從而構(gòu)成第一半導(dǎo)體層；

步驟03：在第一半導(dǎo)體層中填充第一電解質(zhì)流體，并經(jīng)凝固形成第一固態(tài)電解質(zhì)；其中，第一固態(tài)電解質(zhì)的頂部低于納米球的頂部，使得納米球的頂部暴露出來(lái)；

步驟04：在暴露出的納米球頂部外延生長(zhǎng)出納米線，從而構(gòu)成第二半導(dǎo)體層；

步驟05：在納米線中填充第二電解質(zhì)流體，并經(jīng)凝固形成第二固態(tài)電解質(zhì)；其中，第二固態(tài)電解質(zhì)的頂部低于納米線的頂部，使得納米線的頂部暴露出來(lái)；

步驟06：在暴露出的納米線的頂部外延生長(zhǎng)出納米花，從而構(gòu)成第三半導(dǎo)體層；

步驟07：在納米花中填充第三電解質(zhì)流體，并經(jīng)凝固形成第三固態(tài)電解質(zhì)；其中，第三固態(tài)電解質(zhì)的頂部高于納米花的頂部。

優(yōu)選地，所述步驟02中，采用水熱法、溶劑熱法、無(wú)機(jī)模板法來(lái)合成納米球。

優(yōu)選地，所述步驟03具體包括：

步驟031：在第一轉(zhuǎn)速下，在第一半導(dǎo)體層中通過(guò)旋涂方式填充第一電解質(zhì)流體；

步驟032：將第一轉(zhuǎn)速提升至第二轉(zhuǎn)速，使得第一半導(dǎo)體層頂部及其上方的第一電解質(zhì)流體被甩出，然后，從第二轉(zhuǎn)速將至第三轉(zhuǎn)速，從而使位于第一半導(dǎo)體層中的第一電解質(zhì)流體的頂部低于第一半導(dǎo)體層的頂部；

步驟033：使第一電解質(zhì)流體凝固形成第一固態(tài)電解質(zhì)；