[發明專利]基于三維石墨烯的集成微納能量回收存儲芯片及其工作方法

有效

• 申請號: 202010416021.7
• 申請日: 2020-05-16
• 公開（公告）號: CN111555655B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 白民宇;劉歡;劉衛國;解飛;文帥
• 申請（專利權）人: 西安工業大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;H01G4/40;B81B7/02
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.基于三維石墨烯的集成微納能量回收存儲芯片，其特征在于：由自下而上的基座(1)、中間層(2)、頂層(3)以及嵌套在這三層結構中的發電正極模塊(4)、發電負極模塊(5)以及電容模塊(6)構成；

所述基座(1)上具有正極盲槽(1-1)、電容盲槽(1-2)與負極盲槽(1-3)，基座電容負極引線孔(1-4)以及隔膜臺階(1-5)；

所述中間層(2)上具有正極通槽(2-1)、電容通槽(2-2)、負極通槽(2-3)以及中間電容負極引線孔(2-4)；中間層(2)所有通槽為貫通上下表面的結構；

所述的頂層(3)上具有發電正極引線孔(3-1)、發電正極集流槽(3-2)、電容正極引線孔(3-3)、電容正極集流槽(3-4)、頂層電容負極引線孔(3-5)、發電負極集流槽(3-6)以及發電負極引線孔(3-7)；其中各引線孔均貫穿頂層(3)，各集流槽均位于頂層下表面；各引線孔橫向位置位于對應的集流槽區域內；

所述的基座(1)、中間層(2)和頂層(3)從下到上依次疊加；

所述的正極盲槽(1-1)、正極通槽(2-1)以及發電正極集流槽(3-2)徑向尺寸相同，相互對準，共同圍成一個空腔，在該空腔內部自下而上依次布置有發電正極(4-1)與發電正極集流器(4-2)，二者相互接觸；發電正極引線孔(3-1)內部填充發電正極引線(4-3)；頂層(3)上表面并位于發電正極引線孔(3-1)端面周圍區域設置發電正極焊盤(4-4)；發電正極(4-1)產生的正電荷被發電正極集流器(4-2)收集，并通過發電正極引線(4-3)導出至發電正極焊盤(4-4)；所述發電正極(4-1)、發電正極集流器(4-2)、發電正極引線(4-3)和發電正極焊盤(4-4)構成發電正極模塊(4)；

所述的負極盲槽(1-3)、負極通槽(2-3)以及發電負極集流槽(3-6)徑向尺寸相同，相互對準，共同圍成一個空腔，在該空腔內部自下而上依次布置有發電負極(5-1)與發電負極集流器(5-2)，二者相互接觸；發電負極引線孔(3-7)內部填充發電負極引線(5-3)；頂層(3)上表面并位于發電負極引線孔(3-7)端面周圍區域設置發電負極焊盤(5-4)；發電負極(5-1)產生的負電荷被發電負極集流器(5-2)收集，并通過發電負極引線(5-3)導出至發電負極焊盤(5-4)；所述發電負極(5-1)、發電負極集流器(5-2)、發電負極引線(5-3)和發電負極焊盤(5-4)構成發電負極模塊(5)；

所述的電容盲槽(1-2)，電容通槽(2-2)以及電容正極集流槽(3-4)徑向尺寸相同，相互對準，共同形成一個空腔，該空腔內部從下到上依次布置電容負極集流器(6-5)、電容負極(6-3)、隔膜(6-2)、電容正極(6-1)以及電容正極集流器(6-4)；其中隔膜(6-2)徑向尺寸大于電容正極(6-1)和電容負極(6-3)徑向尺寸，超出部分嵌在隔膜臺階(1-5)與中間層(2)下表面共同構成的徑向淺槽中；電容正極引線孔(3-3)內部填充電容正極引線(6-6)；頂層(3)的上表面并位于電容正極引線孔(3-3)端面周圍區域設置電容正極焊盤(6-8)；基座電容負極引線孔(1-4)、中間電容負極引線孔(2-4)與頂層電容負極引線孔(3-5)直徑相同，軸心重合，從下到上依次連通形成完整的通孔，通孔內部填充電容負極引線(6-7)；頂層(3)的上表面并位于電容負極引線(6-7)端面周圍區域設置有電容負極焊盤(6-9)；所述電容正極(6-1)、隔膜(6-2)、電容負極(6-3)、電容正極集流器(6-4)、電容負極集流器(6-5)、電容正極引線(6-6)、電容負極引線(6-7)、電容正極焊盤(6-8)和電容負極焊盤(6-9)構成電容模塊(6)；電容正極(6-1)與電容正極集流器(6-4)接觸，并通過電容正極引線(6-6)與電容正極焊盤(6-8)連接；正電荷從正極焊盤(6-8)開始沿著電容正極引線(6-6)和電容正極集流器(6-4)導入電容正極(6-1)；電容負極(6-3)與電容負極集流器(6-5)接觸，并通過電容負極引線(6-7)與電容負極焊盤(6-9)連接；負電荷從電容負極焊盤(6-9)開始沿著電容負極引線(6-7)和電容負極集流器(6-5)導入電容負極(6-3)；

所述發電正極(4-1)的結構是內部含有正性顆粒(4-1-1)的正極多孔三維結構(4-1-2),所述發電正極(4-1)的制備方法，包括以下步驟：

(1)采用分散聚合法制備聚苯乙烯微球：在制備聚苯乙烯微球的單體溶液中加入正極顆粒，最終得到內部包含正極顆粒的聚苯乙烯微球；

(2)制備氧化石墨烯的水溶液：將石墨烯氧化為氧化石墨烯，置入去離子水中并充分攪拌，得到氧化石墨烯的水溶液；

(3)將步驟(1)所得的聚苯乙烯微球放入步驟(2)制備所得的氧化石墨烯的水溶液中，充分攪拌均勻，使氧化石墨烯包裹到聚苯乙烯微球表面；

(4)在基底上涂敷表面包裹有氧化石墨烯的聚苯乙烯微球；

(5)重復步驟(4)直到涂敷厚度達到所需要求，形成含有聚苯乙烯微球的氧化三維石墨烯；

(6)將所得氧化三維石墨烯進行干燥，然后采用高溫去除聚苯乙烯微球，釋放出正極顆粒，得到內部孔隙中含有正極顆粒的氧化三維石墨烯；

(7)還原氧化石墨烯，得到內部孔隙中含有正極顆粒的三維石墨烯；

(8)按照發電正極(4-1)的設計尺寸切割內部孔隙中含有正極顆粒的三維石墨烯，得到能量回收存儲芯片設計所需的發電正極(4-1)；

所述發電負極(5-1)的結構是內部含有負性顆粒(5-1-1)的負極多孔三維結構(5-1-2),所述發電負極(5-1)的制備方法，包括以下步驟：

(1)采用分散聚合法制備聚苯乙烯微球：在制備聚苯乙烯微球的單體溶液中加入負極顆粒，最終得到內部包含負極顆粒的聚苯乙烯微球；

(2)制備氧化石墨烯的水溶液：將石墨烯氧化為氧化石墨烯，置入去離子水中并充分攪拌，得到氧化石墨烯的水溶液；

(3)將步驟(1)所得的聚苯乙烯微球放入步驟(2)制備所得的氧化石墨烯的水溶液中，充分攪拌均勻，使氧化石墨烯包裹到聚苯乙烯微球表面；

(4)在基底上涂敷表面包裹有氧化石墨烯的聚苯乙烯微球；

(5)重復步驟(4)直到涂敷厚度達到所需要求，形成含有聚苯乙烯微球的氧化三維石墨烯；

(6)將所得氧化三維石墨烯進行干燥，然后采用高溫去除聚苯乙烯微球，釋放出負極顆粒，得到內部孔隙中含有負極顆粒的氧化三維石墨烯；

(7)還原氧化石墨烯，得到內部孔隙中含有負極顆粒的三維石墨烯；

(8)按照發電負極(5-1)的設計尺寸切割內部孔隙中含有負極顆粒的三維石墨烯，得到能量回收存儲芯片設計所需的發電負極(5-1)。