[發明專利]非對稱三維叉梳微柱陣列電極結構超級電容器制備方法

在審

• 申請號: 202110290457.0
• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN113035590A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 尹亞江;王曉峰;尤政
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/26;H01G11/28
• 代理公司: 北京國林貿知識產權代理有限公司 11001
• 代理人: 李富華

1.一種非對稱三維叉梳微柱陣列電極結構超級電容器制備方法；所述超級電容器采用ICP刻蝕與激光雕刻等微納加工工藝，設計制備出叉梳式微柱陣列電極結構，在微結構表面濺射一層金作為集流體，繼而分別在正極與負極微結構表面沉積贗電容與雙電層電容材料薄膜，制備出非對稱式微型MEMS超級電容器；其特征在于，所述三維叉梳式微柱陣列電極結構的制備工藝步驟如下：

（a）SOI備片：選取厚度為80μm、2μm和400μm的SOI片，使用UV燈、顯微鏡對SOI片進行鏡檢，清洗；

（b）旋涂光刻膠：光刻膠厚度5μm±0.5μm；

（c）光刻：光刻出微柱陣列形狀，微柱直徑70μm±0.5μm；

（d）ICP刻蝕：刻蝕深度80μm±0.5μm，刻蝕出微柱陣列，去除光刻膠；

（e）磁控濺射Au：厚度80nm±2nm；

（f）激光雕刻，雕刻深度5μm±1μm，刻蝕出叉梳式結構，清洗。

2.根據權利要求1所述非對稱三維叉梳微柱陣列電極結構超級電容器制備方法，其特征在于，所述正極材料為贗電容活性材料，包括氧化錳、氧化釕、氧化鎳和聚吡咯。

3.根據權利要求2所述非對稱三維叉梳微柱陣列電極結構超級電容器制備方法，其特征在于，所述正極材料通過電化學沉積工藝制備得到正電極薄膜，或正極材料與碳納米管、石墨烯的復合共沉積制備正極電極薄膜；其中，氧化錳正極薄膜的制備工藝如下：利用CHI660D電化學工作站，采用恒流脈沖沉積，沉積液為乙酸錳溶液，濃度為0.2mol/L，陽極外加電流為10mA/cm²，所對應的通電時間20s，陰極外加電流為10mA/cm²，所對應的通電時間5s，沉積完成后用去離子水沖洗電極，然后放置在常溫空氣氣氛中烘干2小時；得到正電極薄膜；

所述恒流脈沖電沉積工藝在MnO₂電極表面形成微觀導電網絡，提高活性物質的利用率，獲得電化學性能更加優異的電極材料。

4.根據權利要求2或3所述非對稱三維叉梳微柱陣列電極結構超級電容器制備方法，其特征在于，所述正極材料選用聚吡咯的正極薄膜制備工藝如下：采用電化學工作站，利用雙電極直流陰極沉積法電沉積制備活性電極薄膜，其中硅基微結構作為陰極與工作電極，鉑電極作為陽極和輔助電極；先用丙酮溶液清洗三維微結構，再用去離子水超聲清洗15min，沉積液為對甲基苯磺酸鈉（C₇H₇SO₃Na）與聚吡咯（C₄H₄N）的混合溶液，其對甲基苯磺酸鈉（C₇H₇SO₃Na）的濃度為0.6mol/L, 聚吡咯（C₄H₄N）濃度為0.6mol/L，用稀硫酸調節溶液pH值為4.0，設置沉積電流密度為500 mA/cm²，沉積時間為1000秒，沉積完成后用去離子水沖洗電極，然后放置在常溫空氣氣氛中烘干2小時。

5.根據權利要求1所述非對稱三維叉梳微柱陣列電極結構超級電容器制備方法，其特征在于，所述負極材料為雙電層活性電極材料，包括石墨烯和碳納米管。

6.根據權利要求5所述非對稱三維叉梳微柱陣列電極結構超級電容器制備方法，其特征在于，所述負極雙電層活性電極材料通過電化學沉積工藝得到電極薄膜；先用丙酮溶液清洗三維微結構，再用去離子水超聲清洗15min；用丙酮溶液將碳納米管進行氧化處理；采用電化學工作站，通過電泳沉積法制備碳納米管電極薄膜，沉積電壓為50Ｖ，沉積時間為15min，電解液為0.05ｍg／mLAl(NO₃)₃乙醇溶液，沉積完成后用去離子水沖洗電極，然后放置在常溫空氣氣氛中烘干2小時，得到負電極薄膜。

7.根據權利要求1所述非對稱三維叉梳微柱陣列電極結構超級電容器制備方法，其特征在于，所述的微型MEMS超級電容器，測試電解液采用6mol/L的 KOH溶液和1mol/L的 LiOH溶液組成的電解液。