[發明專利]一種具有三維儲能結構的紙基電容器激光雕刻制備方法

在審

• 申請號: 201910838104.2
• 申請日: 2019-09-05
• 公開（公告）號: CN110504111A
• 公開（公告）日: 2019-11-26
• 發明（設計）人: 姜雪寧;劉岡;羅豪
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01G11/84
• 分類號: H01G11/84;H01G11/86;H01G11/26;H01G11/30;H01G11/32;H01G11/46;H01G11/48;H01G11/56;H01G11/10
• 代理公司: 21208 大連星海專利事務所有限公司
• 代理人: 花向陽;楊翠翠<國際申請>=<國際公布>

一種具有三維儲能結構的紙基電容器激光雕刻制備方法，屬于儲能材料與技術領域。制備步驟如下：首先制備紙質三維導電基片，然后在導電基片上進行激光雕刻，得到三維結構電極陣列，最后進行電解質雙面涂敷與滲透，經過干燥，獲得具有三維儲能結構的紙基柔性電容器。該方法通過對電極材料紙質三維導電基片進行激光雕刻，能夠簡便、高效地實現不同構造紙基電容器的制備，制備工藝簡單、成本低，同時由于該方法制備的電容器具有三維儲能結構，器件具有很好的儲能特性以及柔韌性。

技術領域

本發明涉及一種具有三維儲能結構的紙基電容器激光雕刻制備方法，屬于儲能材料與技術領域。

背景技術

電容器又稱作電化學電容器，是一種新型的儲能器件。電容器的功率密度和能量密度介于傳統電容器和電池之間，相對于電池和燃料電池，電容器具有高功率密度、快速充放電和長循環壽命的優勢；相對于傳統電容器，電容器具有高能量密度的優勢。其中，紙基電容器由于其獨特的高柔韌性與可微型化優勢，被認為是可穿戴和便攜式電子設備的新型儲能器件。

探索有效途徑和研發新技術制備高質量的微型化紙基電容器是目前該領域的重要發展方向。Zhaoyang Liu 等人（Advanced Materials 2016, 28, 2217）首先配制了石墨烯與電化學活性有機高分子PH1000構成的復合電極漿料，然后通過模板輔助噴涂打印，在紙質基底上制備出叉指型平面電容器；該方法有利于制備電容器的串并聯結構，但需要特殊光刻設備進行電極模板制備，工藝復雜，成本高；并且獲得的電容器具有平面結構，儲存電荷活化面積小，導致電容器的儲能性能不高（1mV/s的掃描速率下面積比電容為5.4mF/cm²）。張海霞等人公布了一種基于激光圖形化的自由式微型電容器及制造方法（專利申請號 201610953666.8），制備步驟主要包括：（1）通過靜電紡絲在背電極上制備PVDF納米纖維；（2）將碳納米管十二烷基苯磺酸鈉溶液滴加在PVDF納米纖維上作為柔性電極；（3）將電極轉移到PVA-H₃PO4固態電解質上；（4）在電解質-柔性電極上濺射Au電極層，作為電容器集流體；（5）通過激光圖形化方式，將金屬集流體層、柔性電極層切割為叉指電極結構，而下面的固態電解質層保持不變，得到自由式微型電容器。該方法制備的電容器具有高柔韌性和可微型化，但是同樣具有制備步驟復雜、成本高等不足。Wenli Zhang 等人（Adv. EnergyMater. 2018, 1801840）采用激光刻蝕方法將木質素轉化為石墨烯，然后將未經過激光輻照的木質素進行水溶解除掉，從而得到具有三維石墨烯結構的叉指電極，并進一步涂敷電解質，獲得微型化電容器。采用該方法能夠在多種聚合物基片上進行不同電極圖案的制備，但是，木質素向石墨烯的碳化過程受到激光功率密度與輻照時間等多種因素的影響，不容易獲得高質量的石墨烯材料，在叉指電極表面蒸鍍金膜能夠提高電極的導電性能與電容器儲能特性，但卻導致工藝復雜化和成本提高；此外，本方法中采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚對苯二甲酸類塑料（PET）等聚合物基片作為電容器支撐體，增大了器件體積并且不具有柔韌性。

發明內容

為了克服現有技術中存在的問題，本發明提供一種具有三維儲能結構的紙基電容器激光雕刻制備方法，該方法通過對電極材料紙質三維導電基片進行激光雕刻，能夠簡便、高效地實現不同構造紙基電容器的制備，制備工藝簡單、成本低，同時由于該方法制備的電容器具有三維儲能結構，器件的儲能特性得到優化。

本發明采用的技術方案是：一種具有三維儲能結構的紙基電容器激光雕刻制備方法，具體制備步驟如下：

步驟一、紙質三維導電基片的制備

配制電極材料漿料，采用雙面真空抽濾或浸漬方法，使電極材料漿料滲入多孔柔性紙質基底內部同時附著于表面，然后在25-100℃真空爐中進行干燥處理5-30小時，形成紙質三維導電基片；

步驟二、三維電極陣列構型的激光雕刻制備