[實用新型]電極結構、石墨烯超級電容器

有效

• 申請號: 201720947315.6
• 申請日: 2017-08-01
• 公開（公告）號: CN206976175U
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發明（設計）人: 汪際軍
• 申請（專利權）人: 全普光電科技（上海）有限公司
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: 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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技術領域

本實用新型涉及半導體技術領域，具體涉及一種電極結構、石墨烯超級電容器。

背景技術

超級電容器通過極化電介質來儲能。它是一種電化學元件，但在其儲能的過程并不發生化學反應，是可逆的。超級電容器的電容密度高，無需擔心過充或過放而影響其使用壽命的問題，是一種綠色能源。然而，與現有的鋰離子電池相比，超級電容器的能量密度較低。

石墨烯被認為是萬能的材料，石墨烯應用于超級電容器制備得到的石墨烯超級電容器，能量密度大為提高，循環穩定性較好，可運用時間長，有望成為新一代能源。但是，現有的石墨烯超級電容器的結構設計上還具有很多瓶頸，例如，能量密度還不能滿足人們對需求，石墨烯超級電容器的不能夠與現有的圖形化半導體工藝相兼容，如何架構石墨烯超級電容器的結構，進一步提高其能量存儲量和能量密度，并且使其更有利于實現大規模化生產，是目前人們普遍探索的問題。

實用新型內容

為了克服以上問題，本實用新型旨在提供一種電極結構和石墨烯超級電容器，利用多層電極結構來提高電容器的能量密度，并且使石墨烯超級電容器更適用于大規模化生產。

為了達到上述目的，本實用新型提供了一種超級電容器的電極結構，包括：

石墨烯薄膜；

位于石墨烯薄膜表面的由納米球構成的第一半導體層；

位于第一半導體層上的第二半導體層，第二半導體層由納米線構成，且每個納米球上均至少有一根納米線與之垂直接觸；

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

在整個石墨烯薄膜表面上設置固態電解質，固態電解質滲透于第一半導體層、第二半導體層和第三半導體層的間隙中，且將第一半導體層、第二半導體 層和第三半導體層包裹住，固態電解質的頂部高于第三半導體層的頂部。

優選地，所述第一半導體層的納米球是空心球。

優選地，所述空心球為半空心球，半空心球的直徑面位于石墨烯薄膜表面，半空心球的球面朝上設置，使得半空心球與石墨烯薄膜之間形成封閉空腔。

優選地，空心球的內徑為

優選地，所述第二半導體層的納米線垂直生長于所述空心球頂部的頂點。

優選地，所述納米線的高度為1～10nm。

優選地，所述納米花為從根部向外輻射開的納米棒構成，所述納米花的根部生長于所述納米線的頂部。

優選地，所述納米花的寬度為5～10nm，高度不大于10nm。

優選地，在所述石墨烯薄膜的底部還設置有集流體層，所述石墨烯薄膜的圖案與集流體層的圖案相同。

優選地，所述第一半導體層的材料為過渡族金屬氧化物。

優選地，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。

優選地，所述固態電解質頂部具有多個凸起。

為了達到上述目的，本實用新型還提供了一種上述電極結構的制備方法，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，從而構成第一半導體層；

步驟03：在第一半導體層中填充第一電解質流體，并經凝固形成第一固態電解質；其中，第一固態電解質的頂部低于納米球的頂部，使得納米球的頂部暴露出來；

步驟04：在暴露出的納米球頂部外延生長出納米線，從而構成第二半導體層；

步驟05：在納米線中填充第二電解質流體，并經凝固形成第二固態電解質；其中，第二固態電解質的頂部低于納米線的頂部，使得納米線的頂部暴露出來；

步驟06：在暴露出的納米線的頂部外延生長出納米花，從而構成第三半導體層；

步驟07：在納米花中填充第三電解質流體，并經凝固形成第三固態電解質；其中，第三固態電解質的頂部高于納米花的頂部。

優選地，所述步驟02中，采用水熱法、溶劑熱法、無機模板法來合成納米球。

優選地，所述步驟03具體包括：

步驟031：在第一轉速下，在第一半導體層中通過旋涂方式填充第一電解質流體；

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

步驟033：使第一電解質流體凝固形成第一固態電解質；