一种微型超级电容器的制备方法技术

一种微型超级电容器的制备方法，涉及超级电容器。搭建扫描电子显微镜原位探针设备；组装微型超级电容器；相关测试。从微观角度，借助特殊的微量电解液使得可以在扫描电子显微镜里组装微型超级电容器，研究微型尺寸下电极材料与电解液充分接触的情况下其电化学性能，并观察在此过程中可能存在的现象，能够满足广大消费者对超级电容器高温安全性能的需求，具有制备方法简单、成本低廉、安全性高、电化学性能优异的特点。制备出的微型超级电容器尺寸微小，可达1um

Preparation method of a miniature supercapacitor

The invention relates to a preparation method of micro super capacitor, which relates to a super capacitor. Scanning electron microscope in situ probe devices were built; miniature supercapacitors were assembled; related tests were performed. From the micro perspective, with the help of trace electrolyte due to the special micro super capacitor can be assembled in a scanning electron microscope, the electrochemical properties of micro size electrode and the electrolyte full contact conditions, and to observe the possible phenomenon in this process, to meet the needs of consumers of the safety performance of the super capacitor for high temperature, has the characteristics of simple preparation method, low cost, high safety and excellent electrochemical performance. The size of the micro supercapacitor is small, up to 1um

【技术实现步骤摘要】
一种微型超级电容器的制备方法
本专利技术涉及超级电容器，尤其是涉及基于原位扫描电子显微镜的一种微型超级电容器的制备方法。
技术介绍
近年来，随着纳米技术的发展，纳米器件的研究成为热点，而微型超级电容器就是其代表之一。微型超级电容器是一种以微纳米结构形式实现储能的微型能量存储器件，具有高比容量、高储能密度等特点。相比和普通超级电容器，微型超级电容器主要有一下优势：简化超级电容器结构设计；减小器件体积，降低设计成本；可实现器件的微型化、智能化和集成化。传统的超级电容器研究是研究电极材料或者改变电解液种类。对于电极材料，主要是让电极材料堆叠在一起测试，也有对于电极材料做改性来提高接触有效接触面积，如，David(Nanoletters,2010,10(12):4863-4868)组发现氧化石墨烯高速进入高温炉还原时，借助表面液体收缩作用，还原后呈弯曲状态，堆叠时不容易发生片层间的重叠，形成利于电解液进入的孔结构，利用这种结构的材料制作成电极材料提高超级电容器的电化学性能；Kaushik组(Nanoletters,2011,11(4):1423-1427)对利用模板法得到一定取向的石墨烯，从而提高离子与电极材料的有效接触面积；Shi组(ChemSusChem,2014,7(11):3053-3062)研究了相同阳离子下不同阴离子的离子液体电解液对电化学性能的影响；但传统的研究只是从电极材料、电解液匹配方面去研究，而我们知道电极材料与电解液的有效接触面积以及电解液的电化学窗口才能从根本上提高超级电容器的比容量及比能量，而大多数对于电极材料的研究不管是改性还是取向都只是一定程度上增加有效接触面积的一种体现方式，并不能完全充分利用纳米电极材料的高比表面积。对于增大电极材料的有效接触面积的本质的研究很少，尚未有相关报道；基于这种现状，本专利技术从微观角度，借助特殊的电解液使得可以在扫描电子显微镜里组装微型超级电容器，研究微型尺寸下电极材料与电解液充分接触的情况下其电化学性能，并观察在此过程中可能存在的现像，能够满足广大消费者对超级电容器高温安全性能的需求，具有制备方法简单、成本低廉、安全性高、电化学性能优异的特点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供能够满足广大消费者对超级电容器高温安全性能的需求，具有制备方法简单、成本低廉、安全性高、电化学性能优异特点的一种微型超级电容器的制备方法。本专利技术包括以下步骤：1)搭建扫描电子显微镜原位探针设备；在步骤1)中，所述搭建扫描电子显微镜原位探针设备的具体方法可为：将机械手安装在固定台上，连接数字芯片，在机械手的金属杆上安装钨探针，用导线将电镜门前面的定制的接口与机械手手动调控装置连接，使调控装置与数字芯片连通，在扫描电子显微镜内对机械手进行原位操作；调节3个机械手使针尖尖端对准样品台中心。2)组装微型超级电容器；在步骤2)中，所述组装微型超级电容器的具体方法可为：选取电极材料，沾取电解液，组装超级电容器，具体操作如下：抽真空后，给电镜加10～20kV的电压，通过操作机械手的调控装置，分别在视野中找到目标针尖，包括1号针尖、2号针尖和3号针尖，其中1号针尖事先沾有样品，所述样品为纳米线、纳米棒和纳米片，将电镜放大到合适的倍数，在1号针尖上选取样品，再分别用2号针尖和3号针尖在1号针尖选取的单根纳米线或单根纳米棒，或者至少一层纳米片，调节样品和针尖，使样品和针尖两者在同一高度并让两者接触，然后将机械手手动调控装置的外接接口选择相对应的接口接上安捷伦精密电源，对已经接触的样品和针尖加1～20V的电压，利用样品和针尖接触的地方的焦耳热使样品和针尖融合在一起，形成牢固的结构；2号针尖和3号针尖获取样品后，调节1号针尖，使1号针尖后端的电解液出现在视野中，调节2号针尖和3号针尖，使2号针尖和3号针尖接触电解液，形成微型超级电容器的简易结构；当组装微型超级电容器时，所述电解液可采用微量的离子液体EMIMBF4或全固态固体电解液PVA/H2SO4/H2O。3)相关测试。在步骤3)中，所述相关测试包括EDS元素分析或电学性能测试，所述EDS元素分析选择mapping模式，用以观察样品的元素组成及比例占比信息或者样品某部位元素分布情况；所述电学性能测试是利用电化学工作站进行测试，具体操作为：将电化学工作站与机械手调控装置的接口端接上，选择合适的模式及参数值，进行相关性能测试，所述测试包括循环伏安曲线和恒流充放电曲线；当搭建扫描电子显微镜原位探针设备时，所述钨针尖为用电化学腐蚀法在5mol/l的NaOH溶液中将一根0.2mm的钨丝腐蚀成尖端曲率半径10～150nm的钨针尖；所述机械手的金属测量杆为空心铜金属棒，空心铜金属棒的横截面为圆环形，中心空心洞的直径为0.1～0.7mm，长度为10～70mm；所述机械手手动调控装置的精度小于100nm。本专利技术与现有技术相比，具有以下有益效果：从微观角度，借助特殊的微量电解液使得可以在扫描电子显微镜里组装微型超级电容器，研究微型尺寸下电极材料与电解液充分接触的情况下其电化学性能，并观察在此过程中可能存在的现象，能够满足广大消费者对超级电容器高温安全性能的需求，具有制备方法简单、成本低廉、安全性高、电化学性能优异的特点。本专利技术采用特殊的微量电解液借助扫描电子显微镜原位探针制备成小尺寸的微型超级电容器，直观地观察到电解液中导电离子的脱吸附过程及其分布情况，同时还可以从本质上使电极材料和电解液充分接触，完全利用其有效接触面积，从而以期获得单个电极材料的极限电容性能；其次本专利技术测试了组装的微型超级电容器的电化学性能，以单根碳纳米纤维或石墨烯片为电极材料制备的超级电容器最高比电容可达284.55F/g和220.59F/g，且表现出很好的双电层电容特性。本专利技术操作简单，方法新颖，有很大的借鉴意义。同时由于制备出的微型超级电容器尺寸微小，可达1um3～10um3，在可穿戴设备和微电子领域具有广阔的应用前景。附图说明图1是加2V电压充电后对超电容进行EDSmapping拍摄的S元素的分布情况的图；(正偏压情况如图所示，石墨烯一极加正电压，电解液一极加负电压)。图2是与图1对应的分别对其加2V，-3V，8V后S元素的分布情况图。图3是与图1对应的分别对其加-10V，10V，12V后S元素的分布情况。图4为电解液离子液体EMIMBF4，两电极材料为还原后的氧化石墨烯RGO组成的超级电容器充放电结束后的结构图。图5为对图4构成的超级电容器加-1～1.2V，电流为1e-9A，扫速分别为10mv/s、20mv/s、、50mv/s和100mv/s得到的循环伏安曲线。在图5中，曲线a为-1～1.2V10mvs-1，曲线b为20mvs-1，曲线c为50mvs-1，曲线d为100mvs-1。图6是图4构成的超级电容器加-1～1.2V，充电电流为1e-9A的恒流充放电曲线。图7是两电极材料为碳纳米纤维、电解质为离子液体EMIMBF4构成的超级电容器的图片。图8为对图7所示的超级电容器进行的恒流充放电曲线，其参数设置为工作电压为-1～1V，充放电电流分别为2e-12A、4e-12A、6e-12A、8e-12A。在图8中，曲线a为-1～1V-2e-12A，曲线b为-1～1V-4e-12A，曲线c为-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型超级电容器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)搭建扫描电子显微镜原位探针设备；2)组装微型超级电容器；3)相关测试。

【技术特征摘要】
1.一种微型超级电容器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)搭建扫描电子显微镜原位探针设备；2)组装微型超级电容器；3)相关测试。2.如权利要求1所述一种微型超级电容器的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述搭建扫描电子显微镜原位探针设备的具体方法为：将机械手安装在固定台上，连接数字芯片，在机械手的金属杆上安装钨探针，用导线将电镜门前面的定制的接口与机械手手动调控装置连接，使调控装置与数字芯片连通，在扫描电子显微镜内对机械手进行原位操作；调节3个机械手使针尖尖端对准样品台中心。3.如权利要求1所述一种微型超级电容器的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述组装微型超级电容器的具体方法为：选取电极材料，沾取电解液，组装超级电容器，具体操作如下：抽真空后，给电镜加10～20kV的电压，通过操作机械手的调控装置，分别在视野中找到目标针尖，包括1号针尖、2号针尖和3号针尖，其中1号针尖事先沾有样品，所述样品为纳米线、纳米棒和纳米片，将电镜放大到合适的倍数，在1号针尖上选取样品，再分别用2号针尖和3号针尖在1号针尖选取的单根纳米线或单根纳米棒，或者至少一层纳米片，调节样品和针尖，使样品和针尖两者在同一高度并让两者接触，然后将机械手手动调控装置的外接接口选择相对应的接口接上安捷伦精密电源，对已经接触的样品和针尖加1～20V的电压，利用样品和针尖接触的地方的焦耳热使样品和针尖融合在一起，形成牢固的结构；2号针尖和3号针尖获取样品后，调节1号针尖，使1号针尖后端...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鸣生，张小敏，李旭科，张桥保，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35