一种在聚合物基底上制备集成化平面型超级电容器的方法技术

本发明专利技术公布了一种在聚合物基底上制备集成化平面型超级电容器的方法，具体为采用激光刻写图案的方法，在聚合物基底上通过激光的高温碳化一步制备出电极材料、集流体、导电连接体等组分，构成集成化的超级电容器。所得的模块化超级电容器具有高的集成程度，能够作为柔性化、可穿戴的电子器件、非接触式芯片等的功率源，具有广阔的市场应用前景。

A method of preparing integrated planar supercapacitor on polymer substrate

【技术实现步骤摘要】
一种在聚合物基底上制备集成化平面型超级电容器的方法
本专利技术属于能源存储领域，具体涉及一种集成化平面型超级电容器及其制备方法。
技术介绍
传统的超级电容器通常采用堆叠型结构，由集流体/正极/隔膜/负极/集流体依次堆叠而成。这种类型的超级电容器制备过程复杂，且多个界面的集中存在使其在弯曲过程中容易发生界面分离，不利于作为未来可穿戴、柔性电子器件的功率源，限制了其实际应用。针对这一问题，近年来电极、电解液、集流体和隔膜位于同一基底的新型平面型超级电容器引起了人们的广泛关注。这种类型的超级电容器将集流体、电极、电解液和隔膜都集成在同一基底上，大大缓解了弯曲过程中超级电容器多界面分离的问题，有利于超级电容器各部分的组合和可弯折超级电容器的制备。目前，平面型超级电容器的制备方法有很多种，如打印、抽滤、光刻等，但制备所得的单个平面型超级电容器均存在电压、电流有限的问题。为满足不同应用场景的需求，在实际生产生活中人们通常还需借助导线连接的方法将多个超级电容器进行串联或并联集成来调整输出电压或电流，制备流程复杂，成本较高，且降低了集成化超级电容器的一体性，不利于其与其它电子元件的进一步集成。因此，设计和开发出一种简单、高效的一步实现集成化平面型超级电容器电极材料制备、单个电容器构建和多个电容器之间的串并联连接的方法，有利于提高效率、降低成本，推动超级电容器的大规模产业化应用。基于此，本专利技术公布了一种集成化平面型超级电容器及其制备方法。采用激光刻写的方法，将聚合物基底进行高温碳化，并将碳化产物直接作为集成化超级电容器的集流体、电极材料和导电连接体，一步实现超级电容器电极材料的制备、单个超级电容器的构建和多个超级电容器的串并联集成。所得的器件具有高度的集成性和出色的柔性，且可以实现规模化生产，能够有效与柔性可穿戴电子产品集成，具有广阔的市场应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于采用一步法实现超级电容器电极材料的制备、单个超级电容器的构建和多个超级电容器的串并联集成，获得高度集成性的平面型柔性超级电容器，以满足可穿戴电子设备对功率源的需求。为达到上述目的，本专利技术提供了一种在聚合物基底上制备集成化的平面型超级电容器的方法，具体包括以下步骤：(1)使用激光按照预先设计的图案对聚合物基底进行刻写，通过激光对聚合物的高温碳化作用得到碳化产物，一步实现电极、集流体和连接体的图案化制备；(2)在电极材料部分涂覆电解液、连接体部分留空，制备出集成化平面型超级电容器；(3)在聚合物基底上制备的集成化平面型超级电容器结构为串联或并联或串联与并联的结合，根据设计结构的不同，可以调节集成化平面型超级电容器的输出电压和电流。所述步骤(1)中的激光为紫外激光、可见激光、红外激光中的一种或两种以上。激光的波长范围在100～300000nm，优选范围在300～100000nm；激光的功率范围在0.01～100W，优选范围在0.1～10W；激光的刻写速度在0.1～100mm/s，优选范围在1～20mm/s；激光的刻写精度在1～10000μm，优选范围在10～500μm。所述步骤(1)中的激光为紫外激光、可见激光、红外激光中的一种或两种以上，激光的波长范围在100～300000nm，激光的功率范围在0.01～100W，激光的刻写速度在0.1～100mm/s，激光的刻写精度在1～10000μm。所述的通过激光高温碳化作用得到的碳化产物为石墨烯，无定形碳中的一种或两种的组合，其中石墨烯的横向尺寸在100nm～100μm之间，层数在1～10层之间，石墨烯及无定形碳的比表面积在20～3000m2/g。所述集成化超级电容器的输出电压在1～100V之间可调，电流在1μA～100mA之间可调。所述步骤(1)中预先设计的图案包括单个超级电容器的电极图案和超级电容器间导电连接体的图案，其中单个超级电容器的电极图案为线段形、条形、交叉指形、同心圆形、折叠形中的一种或两种以上，导电连接体图案为线段形、折线形、曲线形中的一种或两种以上的组合。刻写得到图案与预先设计图案的形状和平面尺寸相同，每一电极或连接体分别具有一定的面积和厚度，其中厚度在100nm～200μm之间，优选范围在1μm～100μm；单个电极的面积在10μm2～20cm2之间，优选范围在1mm2～1cm2；一段导电连接体的面积在10μm2～10cm2之间,优选范围在1mm2～1cm2。所述步骤(1)中聚合物基底为聚酰亚胺，聚醚酰亚胺，聚对苯二甲酸乙二酯，聚二甲基硅氧烷，聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚碳酸酯，聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯中的一种或两种以上。优选基底为聚酰亚胺，聚醚酰亚胺。所述步骤(2)中电解液为硫酸溶液、磷酸溶液、氢氧化钾溶液、硫酸钠溶液、氯化锂溶液、硫酸/聚乙烯醇、磷酸/聚乙烯醇、氢氧化钾/聚乙烯醇、氯化锂/聚乙烯醇、硫酸钠/聚乙烯醇、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/聚偏氟乙烯，双三氟甲烷磺酰亚胺锂/聚偏氟乙烯等中的一种或两种以上。优选电解液为硫酸/聚乙烯醇、磷酸/聚乙烯醇、氢氧化钾/聚乙烯醇、氯化锂/聚乙烯醇、硫酸钠/聚乙烯醇、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/聚偏氟乙烯。一种集成化平面型超级电容器，所述集成化平面型超级电容器通过多个单独平面型超级电容器串联、并联或串联和并联结合得到，多个单独平面型超级电容器之间设有连接体；所述单独平面型超级电容器包括不连续图案化的正极和负极；其中，n个超级电容器串联时分别将第1个的正极和第2个的负极、第2个的正极和第3个的负极、…、第n-1个的正极和第n个的负极通过导电连接体相连；n个超级电容器并联时将第1个到第n个超级电容器的正极通过导电连接体相连，负极也通过导电连接体相连。将由n个超级电容器串联、再将m组n个串联的超级电容器并联得到的集成化超级电容器定义为nS×mP；将由n个超级电容器并联、再将m组n个并联的超级电容器串联得到的集成化超级电容器定义为nP×mS；对于不相同的多个超级电容器A1,A2,…,An串联集成的器件，用S(A1～A2～…～An)表示；对于不相同的多个超级电容器A1,A2,…,An并联集成的器件，用P(A1～A2～…～An)表示，其中Ai(i＝1,2,…,n)可以为单个超级电容器或集成化的超级电容器，如S(1S×2P～2S×2P)，P(3S×2P～1S×1P)；其中，n指串联时超级电容器的个数；m指并联时超级电容器的个数：S指串联；P指并联：An指单个或集成超级电容器。本专利技术的优点：1.本专利技术采用激光刻写的方法，在聚合物绝缘基底上一步法制造出了集成化的平面型超级电容器，制备方法简单，成本低廉，适合进行规模化生产。2.相比于其他要分步进行电极材料制备，单个超级电容器构建和多个超级电容器集成的方法，本专利技术的激光刻写法一步实现了上述三个步骤，简化了过程，提升了效率，同时显著提高了集成化器件电极和连接体的一体性。3.本专利技术制造出的集成化的平面型超级电容器具有高的集成性，可定制、可调本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在聚合物基底上制备集成化的平面型超级电容器的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：/n(1)使用激光按照预先设计的图案对聚合物基底进行刻写，通过激光对聚合物的高温碳化作用得到碳化产物，一步实现电极、集流体和连接体的图案化制备；/n(2)在电极材料部分涂覆电解液、连接体部分留空，制备出集成化平面型超级电容器；/n(3)在聚合物基底上制备的集成化平面型超级电容器结构为串联或并联或串联与并联的结合，根据设计结构的不同，可以调节集成化平面型超级电容器的输出电压和电流。/n

【技术特征摘要】
1.一种在聚合物基底上制备集成化的平面型超级电容器的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)使用激光按照预先设计的图案对聚合物基底进行刻写，通过激光对聚合物的高温碳化作用得到碳化产物，一步实现电极、集流体和连接体的图案化制备；
(2)在电极材料部分涂覆电解液、连接体部分留空，制备出集成化平面型超级电容器；
(3)在聚合物基底上制备的集成化平面型超级电容器结构为串联或并联或串联与并联的结合，根据设计结构的不同，可以调节集成化平面型超级电容器的输出电压和电流。


2.按照权利要求1所述的集成化平面型超级电容器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的激光为紫外激光、可见激光、红外激光中的一种或两种以上，激光的波长范围在100～300000nm，激光的功率范围在0.01～100W，激光的刻写速度在0.1～100mm/s，激光的刻写精度在1～10000μm。


3.按照权利要求1所述的集成化平面型超级电容器的制备方法，其特征在于：所述预先设计的图案包括单个超级电容器的电极图案和超级电容器间导电连接体的图案，其中单个超级电容器的电极图案为线段形、条形、交叉指形、同心圆形、折叠形中的一种或两种以上，导电连接体图案为线段形、折线形、曲线形中的一种或两种以上。


4.按照权利要求1所述的集成化平面型超级电容器的制备方法，其特征在于：所述刻写得到图案与预先设计图案的形状和平面尺寸相同，每一电极或连接体分别具有一定的面积和厚度，其中厚度在100nm～200μm之间，单个电极的面积在10μm2～20cm2之间，一段导电连接体的面积在10μm2～10cm2之间。


5.按照权利要求1所述的集成化平面型超级电容器的制备方法，其特征在于：所述的聚合物基底为聚酰亚胺，聚醚酰亚胺，聚对苯二甲酸乙二酯，聚二甲基硅氧烷，聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚碳酸酯，聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯中的一种或两种以上。


6.按照权利要求1所述的集成化平面型超级电容器的制备方法，其特征在于：所述的通过激光高温碳化作用得到的碳化产物为石墨烯，无定形...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴忠帅，包信和，师晓宇，
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