[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

本發明公開了屬于微型超級電容器領域的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，設計制備出叉梳微柱陣列電極結構，在叉梳微柱陣列電極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。通過叉梳式微柱陣列電極結構，有效提升了電極比表面積，同時非對稱超級電容器體系可綜合雙電層電容和贗電容儲能機制，可拓寬電化學穩定窗口，提升器件儲能密度，可應用于物聯網節點電源、個人電子產品等領域。

技術領域

本發明屬于微型超級電容器領域，特別涉及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。

背景技術

隨著MEMS技術的不斷發展，微系統的體積不斷降低，智能化程度不斷提高。然而，器件的微型化對電源系統提出了極大的挑戰。微能源技術作為MEMS系統的關鍵技術之一，近年來受到了各國政府的高度重視。目前，研究人員采用開展光伏、振動、溫差等多源復合的微型能量收集系統以獲取更高的能量密度，然而隨著系統體積的微型化，薄膜鋰電池、微型鎳鋅電池輸出功率低、循環壽命短的不足逐漸凸顯出來，難以實現微系統高功率輸出的工作需求。

作為微儲能技術的重要組成部分，微型超級電容器可以彌補微電池的不足，得到了各國學者的廣泛關注。微型超級電容器具有體積小、儲能密度高、功率密度高、循環壽命長等多種優勢，在微小型電子器件、植入式傳感器、智能微塵、無線傳感網絡、微小型飛行器等多個領域具有極強的應用前景。

目前而言，微型超級電容器主要集中于進一步提升其儲能密度與功率密度，往往從材料與結構方面開展研究。在材料上，通過不同電極材料的復合改性，制備出具備三維結構的比表面積更高、電極活性更強的復合材料，在結構上通過制備高深寬比的三維結構電極，在增加比表面積的同時，利用特殊的微納結構與微納效應，改善電極材料的綜合性能。在申請號為2016112187543，一種非對稱超級電容器的制備方法中，以氧化亞銅為犧牲模板，通過常溫攪拌，得到氫氧化鈷，再通過水熱法對氫氧化鈷硫化得到空心硫化鈷粉末，這空心結構能縮短離子的擴散距離，提高了活性物質的利用率，從而提高了材料的比電容，種以硫化鈷粉末為正極，多孔碳材料為負極，組裝制備得到了不對稱的超級電容器；但是，仍然受限于復雜的結構加工工藝以及電極薄膜制備工藝，不能滿足當前MEMS技術發展對微系統的體積、電容器的能量密度和功率密度的要求；目前的超級電容器仍然以梳齒電極為主，多為在平面結構內加工圖形化的電極薄膜，其電極厚度依然較低，仍未實現真正的三維結構電極。此外，薄膜制備工藝中，電極材料皸裂、脫落的問題，仍然是亟待解決的關鍵問題。

發明內容

本發明的目的是提供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。

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。