一種非對稱超級電容器制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，屬于微型超級電容器的制造技術(shù)范圍，具體為一種非對稱超級電容器制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS (Micro Electromechanical System，即微機(jī)電系統(tǒng))是將微電子技術(shù)與機(jī)械工程融合到一起的一種工業(yè)技術(shù)，它具有成本低、體積小、自控性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是近年來最重要的技術(shù)創(chuàng)新之一。
[0003]超級電容器是一種新型的儲(chǔ)能裝置，以其獨(dú)特的大容量、大電流、快速充放電和高的循環(huán)使用壽命等特點(diǎn)，受到世人的青睞，致使許多新型超級電容器相繼被研發(fā)和應(yīng)用。MEMS超級電容器具備傳統(tǒng)超級電容器優(yōu)勢的同時(shí)也表現(xiàn)出可實(shí)現(xiàn)器件的微型化、智能化和集成化，大大提高了器件儲(chǔ)能密度；簡化超級電容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更好地匹配設(shè)計(jì)器件芯片控制電路工作條件，減小器件體積，降低設(shè)計(jì)成本；提高器件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。因此MEMS超級電容器受到國內(nèi)外研宄者的高度關(guān)注。但MEMS超級電容器的能量密度低，因此如何提高微型超級電容器的能量密度成為超電容研宄的一個(gè)主要方向。
[0004]超級電容器根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理的不同，可分為雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器。雙電層電容器是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層電容來存儲(chǔ)能量，其電極通常采用具有高比表面積的多孔碳材料，具有較高的比電容；法拉第準(zhǔn)電容器是指在電極表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電極活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，使其發(fā)生快速、可逆的化學(xué)吸附/脫附或氧化/還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生比雙電層電容器更高的比容量，其電極材料主要是金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物。但無論基于某個(gè)單一原理的超級電容器均無法同時(shí)滿足能量密度與功率密度的要求，為了同時(shí)獲得較高的能量密度和功率密度，人們開始設(shè)計(jì)新型的非對稱型電化學(xué)超級電容器，即電容器的一極是雙電層電極，另一極為法拉第準(zhǔn)電容電極。非對稱型電化學(xué)超級電容器綜合了兩類電化學(xué)電容器的優(yōu)點(diǎn)，能有效地突破一般超級電容器無法同時(shí)滿足能量密度與功率密度的局限性，可更好地滿足實(shí)際應(yīng)用中負(fù)載對電源系統(tǒng)的能量密度和功率密度的整體要求。在移動(dòng)通訊、信息技術(shù)、航空航天和國防科技等領(lǐng)域得到不斷應(yīng)用。但是現(xiàn)有的非對稱型電化學(xué)超級電容器的電容量還是小，不能完全滿足實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的非對稱型電化學(xué)超級電容器的電容量小的問題，提供了一種非對稱超級電容器制備方法。
[0006]本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種非對稱超級電容器制備方法，包括以下步驟:
S1:選取兩片硅片作為基底，清洗硅片基底并烘干；
S2:將清洗烘干后的硅片基底進(jìn)行氧化，在硅片基底表面形成二氧化硅氧化膜作為電極的絕緣層； 53:在形成絕緣層的其中一片硅片基底的表面通過沉積形成一層金屬鈦層；
54:將S3中形成的鈦層放入陽極氧化裝置中進(jìn)行氧化，形成T12納米管；
55:在形成的T12納米管內(nèi)沉積N1，形成T12納米管電極；
56:在S2中得到的表面形成絕緣層的另一硅片上均勻旋涂光刻膠；
57:將旋涂好的光刻膠進(jìn)行前烘、曝光、后烘、顯影處理，形成六面體柱狀陣列；
58:將六面體柱狀陣列放入炭化爐中進(jìn)行炭化，得到炭化電極；
59:將活性物質(zhì)電極與炭化電極通過PP膜隔開，并注入KOH電解質(zhì)組裝成非對稱超級電容器。
[0007]上述的一種非對稱超級電容器制備方法，包括以下步驟:硅片基底氧化為干氧氧化或濕氧氧化，形成的絕緣層厚度為1.5微米?？煞乐构杌着c電極相接觸，形成短路。
[0008]上述的一種非對稱超級電容器制備方法，鈦層厚度為400nm。由于厚度適中，可避免鈦層被氧化穿透。
[0009]上述的一種非對稱超級電容器制備方法，陽極氧化電解液為0.05wt%的HF水溶液，氧化過程中陽極為鈦電極，陰極為鉑電極，形成的1102納米管的厚度為150nm。在此條件下，形成的T12納米管排列規(guī)則有序，密度高，可控性強(qiáng)。
[0010]上述的一種非對稱超級電容器制備方法，所述沉積為恒電流電沉積，時(shí)間為20分鐘。可在Ti02納米管載體上生成均勻厚度的金屬鎳沉積層。
[0011]沉積上述的一種非對稱超級電容器制備方法，所述光刻膠為負(fù)膠SU-8，旋涂厚度為200微米。厚度較厚，在炭化后形成的孔洞表面積更大，形成電極后相應(yīng)的比電容會(huì)增加。
[0012]本發(fā)明提出了非對稱超級電容器三維微電極制備方法，該方法利用兩個(gè)電極均形成多孔結(jié)構(gòu)來增大電極的表面積，同時(shí)，負(fù)極所用的SU-8膠由于機(jī)械性能好，所以炭化之后形成的孔洞垂直側(cè)壁好，進(jìn)一步提高了超級電容器的比電容。在工藝中，所涉及的陽極氧化與炭化過程簡單可行，精度高，易于操作，投資成本不高。因?yàn)槌夒娙萜骶哂斜葌鹘y(tǒng)電池更高的功率密度，且本發(fā)明提出的非對稱超級電容器其中一極采用法拉第“準(zhǔn)電容”儲(chǔ)能原理，明顯增加了電容器的能量密度，能有效地解決了普通超級電容器能量密度與功率密度不可兼得的障礙，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0013]圖1為1102納米管電極制備工藝流程圖。
[0014]圖2為T12納米管電極制備工藝中硅片基底俯視圖。
[0015]圖3為炭化電極制備工藝流程圖。
[0016]圖4為炭化電極制備工藝中硅片基底俯視圖。
[0017]圖5為非對稱超級電容器三維微電極整體設(shè)計(jì)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]一種非對稱超級電容器制備方法，包括以下步驟:
S1:選取兩片2cmX 2cm娃片作為基底，娃片基底依次在雙氧水、硫酸/雙氧水、鹽酸/氨氣、雙氧水溶液中清洗以去除油污，氧化膜和金屬離子，然后烘干； 52:將清洗烘干后的硅片基底放進(jìn)氧化爐中進(jìn)行氧化，氧化方式為干法氧化或濕氧氧化，氧化時(shí)長為5小時(shí)，在硅片基底表面形成二氧化硅氧化膜作為電極的絕緣層，絕緣層厚度為1.5微米；
53:將形成絕緣層的其中一片硅片基底放在沉積系統(tǒng)裝置中，在硅片基底表面通過沉積方式沉積金屬鈦層，其厚度為400nm ；
54:將S3中形成的鈦層放入陽極氧化裝置中進(jìn)行氧化，陽極氧化電解液為0.05wt%的HF水溶液，氧化過程中陽極為鈦電極，陰極為鉑電極，氧化時(shí)先施加1V電壓20秒，然后0.5V電壓30分鐘，形成T12納米管，形成的T1 2納米孔洞厚度為150nm ；
55:通過恒流電沉積先在形成的T12納米管內(nèi)沉積金屬Ni，再用循環(huán)伏安法進(jìn)行氧化，生成金屬Ni的氧化物氫氧化鎳，然后用高溫脫水處理得到N1，完成T12納米管電極的制備；
56:在S2中得到的表面形成絕緣層的另一硅片上均勻旋涂負(fù)膠SU-8光刻膠，旋涂厚度為200微米，其中光刻膠需進(jìn)行前烘處理，以去除光刻膠中的溶劑，起到硅表面固定光刻膠的作用，前烘溫度為65°C，時(shí)間為10分鐘；
57:將光刻膠進(jìn)行掩模曝光，曝光時(shí)間為15s ;然后進(jìn)行后烘，后烘溫度為95°C，時(shí)間為半小時(shí)；之后顯影，在丙酮顯影液中顯影15分鐘，得到六面體柱狀陣列；
58:將所得的六面體柱狀陣列放入炭化爐中炭化24小時(shí)，得到炭化電極；
59:將活性物質(zhì)電極與炭化電極通過PP膜(聚丙烯膜)隔開，注以KOH電解質(zhì)組裝成非對稱超級電容器。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種非對稱超級電容器制備方法，其特征在于包括以下步驟: S1:選取兩片硅片作為基底，清洗硅片基底并烘干； 52:將清洗烘干后的硅片基底進(jìn)行氧化，在硅片基底表面形成二氧化硅氧化膜作為電極的絕緣層； 53:在形成絕緣層的其中一片硅片基底的表面通過沉積形成一層金屬鈦層； 54:將S3中形成的鈦層放入陽極氧化裝置中進(jìn)行氧化，形成T12納米管； 55:在形成的T12納米管內(nèi)沉積N1，形成T12納米管電極； 56:在S2中得到的表面形成絕緣層的另一硅片上均勻旋涂光刻膠； 57:將旋涂好的光刻膠進(jìn)行前烘、曝光、后烘、顯影處理，形成六面體柱狀陣列； 58:將六面體柱狀陣列放入炭化爐中進(jìn)行炭化，得到炭化電極； 59:將活性物質(zhì)電極與炭化電極通過PP膜隔開，并注入KOH電解質(zhì)組裝成非對稱超級電容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非對稱超級電容器制備方法，其特征在于包括以下步驟:硅片基底氧化為干氧氧化或濕氧氧化，形成的絕緣層厚度為1.5微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種非對稱超級電容器制備方法，其特征在于鈦層厚度為 400nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種非對稱超級電容器制備方法，其特征在于陽極氧化電解液為0.05wt%的HF水溶液，氧化過程中陽極為鈦電極，陰極為鉑電極，形成的Ti02納米管的厚度為150nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種非對稱超級電容器制備方法，其特征在于所述沉積為恒電流電沉積，時(shí)間為20分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種非對稱超級電容器制備方法，其特征在于所述光刻膠為負(fù)膠SU-8，旋涂厚度為200微米。
【專利摘要】本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種非對稱超級電容器制備方法，包括如下步驟：先準(zhǔn)備兩片相同的清潔烘干后的硅片基底，將其中一硅片基底的表面氧化形成二氧化硅絕緣層，并沉積一層金屬鈦，然后陽極氧化形成有序的TiO2納米管，在TiO2納米管內(nèi)沉積NiO，制備得到TiO2納米管電極；在另一硅片基底上均勻旋涂SU-8膠，然后對此SU-8膠進(jìn)行光刻處理，形成六面體柱狀陣列結(jié)構(gòu)，將此陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行炭化，制備得到炭化電極，最后將TiO2納米管電極和炭化電極以PP膜隔開，并填充電解質(zhì)組裝成非對稱超級電容器。本發(fā)明綜合利用了法拉第準(zhǔn)電容原理和雙電層原理，所制備的兩個(gè)電極均能形成多孔結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)的基于雙電層原理的超級電容器更大地提高了比電容。
【IPC分類】B81C1-00, H01G11-86, H01G11-84
【公開號】CN104681304
【申請?zhí)枴緾N201510122091
【發(fā)明人】李剛, 趙清華, 張文棟, 胡杰, 桑勝波, 馬洋, 李朋偉, 菅傲群, 段倩倩
【申請人】太原理工大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月20日