一种同一基底上任意形状堆叠型超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术公布了一种同一基底上任意形状堆叠型超级电容器及其制备方法，该电容器为在一基底上，依次集成第一层电极薄膜/第二层隔膜/第三层电极薄膜/固体电解液的任意形状堆叠型超级电容器。其制备方法为在同一基底上喷涂制造具有任意形状的下电极薄膜层，然后在下电极薄膜上喷涂制造氧化石墨烯隔膜层，再在隔膜层上制造上电极薄膜层，得到具有堆叠结构的超级电容器。本发明专利技术所制造的任意形状堆叠型超级电容器能实现形状可控和大规模生产，能够有效与不同种类柔性化、便携化、可穿戴电子器件兼容集成，具有广泛的市场应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种同一基底上任意形状堆叠型超级电容器及其制备方法
本专利技术属超级电容器的制造领域，具体涉及一种同一基底上任意形状堆叠型超级电容器及其制备方法。
技术介绍
传统堆叠型超级电容器由集流体(基底)/正极/隔膜/负极/集流体(基底)的形式堆叠构成。这种结构形式的堆叠型超级电容器制造耗时长，过程复杂且其结构形式涉及到两个基底；集流体和电极材料未能融于一体，导致传统堆叠型超级电容器的体积大，不利于其在小型化集成电路中的应用。随着轻、薄、可弯曲的形状多样的电子设备的快速发展，极大地刺激了人们对新型储能器件的需求。目前的储能器件，例如锂电电池和超级电容器，形状固定，体积大，质量重，很难满足柔性电子设备的要求。此外，由于结构设计和性能的限制，例如需要聚合物粘结剂和额外的导电剂以及厚的隔膜，传统的电源并不能做到形状可控的柔性储能器件。为了克服上述困难，近年来，平面交叉指型的石墨烯基储能器件引起了广泛的关注，并被认为有望在微型的电子芯片上应用。这种平面结构使得电极、隔膜、电解液和集流体集成到同一个基底上，有利于各组件的组合，储能器件的形状设计。虽然利用多种技术，例如打印、光刻显影、激光刻蚀，能制造出形状多样的平面型超级电容器，但是并不能实现任意形状超级电容器的制造。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于采用喷涂的方法在同一个基底上制造任意形状具有堆叠结构的超级电容器，制造过程简单，成本低，具有广泛的市场应用前景。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种同一基底上任意形状堆叠型超级电容器，该电容器为在一基底上，依次堆叠第一层电极薄膜/第二层隔膜/第三层电极薄膜/固体电解液的任意形状堆叠型超级电容器；所述第一层电极薄膜、第三级电极薄膜材料为：石墨烯或石墨烯复合材料；所述隔膜为氧化石墨烯；所述固体电解液为电解液为聚乙烯醇/硫酸(PVA/H2SO4)、聚乙烯醇/硫酸钠(PVA/Na2SO4)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/二氧化硅固体电解液中的一种。所述的基底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯基底(PET)、聚醚酰亚胺(PEI)、硅片、玻璃、纸或木板等任何绝缘平面基底。所述电极薄膜的厚度为0.1-5μm，隔膜的厚度为1-3μm。本专利技术中所述的第一层电极材料和第三层电极材料薄膜电极可以为相同的电极材料，也可以为不同的电极材料。本专利技术中所述的第一层电极材料和第三层电极材料为相同的电极材料，超级电容器为对称超级电容器；第一层电极材料和第三层电极材料为不同的电极材料，超级电容器为非对称超级电容器。本专利技术中所述的一定形状可以是任意的形状，指的是不受器件大小、构型、维数的限制；本专利技术中所述的两电极材料、隔膜、电解液、集流体都集成在同一个基底上。一种同一基底上任意形状堆叠型超级电容器的制备方法，具体为包括以下步骤：(1)在一基底上，通过一定形状的模板1喷涂石墨烯墨水制造出具有一定形状的第一层薄膜电极，该电极层即作为集流体又作为活性物质；(2)通过相同形状的模板2，喷涂氧化石墨烯墨水于第一层薄膜电极上制备出第二层具有相同形状的、离子导电和电子绝缘的隔膜；(3)通过相同形状的模板1，喷涂石墨烯墨水于第二层隔膜层上制备出第三层具有相同形状的薄膜电极，与第一层形成对电极；(4)最后，在形状一定的电极材料/隔膜/电极材料结构的表面加上相同形状的固态电解液，制备出具有任意形状堆叠型超级电容器。步骤(1)所述的石墨烯墨水为分散在分散液中的石墨烯，所述的石墨烯墨水浓度为0.05-10mgmL-1；所述的石墨烯墨水中石墨烯为电化学剥离石墨烯、还原氧化石墨烯、液相剥离石墨烯、化学气相沉积石墨烯、石墨烯复合材料中的一种或多种；分散液为异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种。本专利技术中所述的模板2的宽度大于模板1至10μm到1000μm。本专利技术中所述氧化石墨烯的尺寸大小在0.1-100μm之间，厚度在0.7-2.0nm之间；浓度为0.5-8mgmL-1。本专利技术中所述的喷涂制造方法包括机械喷涂、静电喷涂。本专利技术中所述喷涂的喷口直径为0.2-1.0mm之间，喷涂所用气体为氮气、氩气或空气中的一种，喷涂气体压力为0.01-0.3MPa。本专利技术公布了在同一基底上制造任意形状超级电容器的方法，通过采用喷涂的方法在同一个基底上制造任意形状堆叠结构的超级电容器。具体为在同一基底上喷涂制造具有任意形状的下电极薄膜层，然后在下电极薄膜上喷涂制造氧化石墨烯隔膜层，再在隔膜层上制造上电极薄膜层，得到具有堆叠结构的超级电容器。其制造过程简单，成本低，而且能实现形状可控和大规模生产，能够有效与不同种类柔性化、便携化、可穿戴电子器件兼容集成，具有广泛的市场应用前景。本专利技术的特点及优点1.本专利技术所述在同一基底上制造任意形状堆叠型超级电容器，其结构为基底/电极/隔膜/电极；电极与隔膜一体化，能实现任意形状超级电容器的制造。2.本专利技术所述在同一基底上制造任意形状堆叠型超级电容器，其形状、大小、维数以及器件的厚度能轻易控制，所需设备简单，只涉及一个基底，具有制造工艺简单的特点。3.本专利技术所述在同一基底上制造任意形状堆叠型超级电容器，其在柔性基底上制造，能够有效与不同种类柔性化、便携化、可穿戴电子器件兼容集成，具有广泛的市场应用前景。附图说明图1.在同一基底上制备以交叉点线型为代表的具有任意形状堆叠型超级电容器示意图。图2.利用喷涂法制造任意形状超级电容器实例：具有交叉点线型超级电容器和不同扫描速率下的循环伏安曲线。图3.利用喷涂法制造任意形状超级电容器实例：具有空心方形超级电容器。具体实施方式实施例1以分散在异丙醇中的电化学剥离石墨烯(0.1mgmL-1)和氧化石墨烯水溶液(1mgmL-1)为原料，本实施例中氧化石墨烯平均大小为100nm，喷涂基底为PET；通过交叉点线形模板1(附图1)喷涂厚度为100nm的石墨烯电极层，喷涂的喷笔口径直径为0.3mm，喷涂氮气压力为0.05MPa，移去模板1，得到交叉点线形超级电容器的一极；然后通过交叉点线形模板2(附图1)，用0.2mm的喷笔喷涂氧化石墨烯水溶液，氧化石墨烯隔膜层的厚度为1.5μm，喷涂氮气压力为0.1MPa，移去模板2；再在氧化石墨烯隔膜层上，通过交叉点线形模板1用0.3mm的喷笔喷涂相同厚度的另一电极；然后注入PVA/H2SO4，再封装；即得交叉点线形对称超级电容器(附图2)。电化学测试表明，所得的交叉点线形超级电容器的电压窗口为0.8V，在循环伏安测试扫描速率为2mVs-1时，电极面比容为0.88mFcm-2。实施例2以分散在异丙醇中的电化学剥离石墨烯(0.5mgmL-1)和氧化石墨烯水溶液(1.5mgmL-1)为原料，本实施例中氧化石墨烯平均大小为1μm，喷涂基底为PET；通过空心方形模板1喷涂厚度为170nm的石墨烯电极层，喷涂的喷笔口径直径为0.5mm，喷涂氮气压力为0.2MPa，移去模板1，得到空心方形超级电容器的一极；然后通过空心方形模板2，用0.3mm的喷笔喷涂氧化石墨烯水溶液，氧化石墨烯隔膜层的厚度为1μm，喷涂氮气压力为0.1MPa，移去模板2；再在氧化石墨烯隔膜层上，通过空心方形模板1用0.5mm的喷笔喷涂相同厚度的另一电极；然后注入PVA/H2SO4，再封装；即得空心方形对称本文档来自技高网...

【技术保护点】
在同一基底上任意形状堆叠型超级电容器，其特征在于该电容器为在一基底上，依次集成第一层电极薄膜/第二层隔膜/第三层电极薄膜/固体电解液的任意形状堆叠型超级电容器；所述第一层电极薄膜、第三级电极薄膜材料为：石墨烯或石墨烯复合材料；所述隔膜为氧化石墨烯；所述固体电解液为电解液为聚乙烯醇/硫酸、聚乙烯醇/硫酸钠、1‑丁基‑3‑甲基咪唑四氟硼酸盐/二氧化硅固体电解液中的一种。

【技术特征摘要】
1.在同一基底上任意形状堆叠型超级电容器，其特征在于该电容器为在一基底上，依次集成第一层电极薄膜/第二层隔膜/第三层电极薄膜/固体电解液的任意形状堆叠型超级电容器；所述第一层电极薄膜、第三级电极薄膜材料为：石墨烯或石墨烯复合材料；所述隔膜为氧化石墨烯；所述固体电解液为电解液为聚乙烯醇/硫酸、聚乙烯醇/硫酸钠、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/二氧化硅固体电解液中的一种。2.按照权利要求1所述的在同一基底上任意形状堆叠型超级电容器，其特征在于：所述的基底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯基底(PET)、聚醚酰亚胺(PEI)、硅片、玻璃、纸或木板等任何绝缘平面基底。3.按照权利要求1所述的在同一基底上任意形状堆叠型超级电容器，其特征在于：所述电极薄膜的厚度为0.1-5μm，隔膜的厚度为1-3μm。4.按照权利要求1所述的在同一基底上任意形状堆叠型超级电容器的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：(1)在一基底上，通过一定形状的模板1喷涂石墨烯墨水制造出具有该形状的第一层薄膜电极，该电极层即作为集流体又作为活性物质；(2)通过相同形状的模板2，喷涂氧化石墨烯墨水于第一层薄膜电极上制备出第二层具有相同形状的、离子导电和电子绝缘的隔膜；(3)通过相同形状的模板1，喷涂石墨烯墨水于第二层隔膜层上制备出第三层具有相同形状的薄膜电极，与第一层形成对电极；(4)最后，在形...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴忠帅，包信和，郑双好，王森，孙承林，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21