柔性微型储能器件制造技术

本实用新型专利技术公开了一种柔性微型储能器件。所述柔性微型储能器件包括柔性衬底和多个电极，所述电极设置在柔性衬底表面，其中任意两个相邻电极之间分布有电解质层；所述电极包括设置在柔性衬底表面的微极板、设置在微极板表面的集流体层以及设置在集流体层表面的电极材料层，所述微极板包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一微极板、第二微极板，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成三维立体双螺旋状微纳结构。其中集流体层由碳基材料薄膜构成，且还兼作三元层状双金属氢氧化物阵列的原位生长载体，能够在柔性衬底与活性物质间形成稳定且连续的三维一体化结构，可强化电极机械稳定性，改善大电流倍率性能，保持循环性能稳定。

【技术实现步骤摘要】
柔性微型储能器件
本技术涉及一种储能器件，特别涉及一种基于衬底/石墨烯/三元层状氢氧化物一体化电极的柔性微型储能器件，属于储能设备

技术介绍
近几年，在微电子、材料科学及微加工技术等发展推动下，柔性电子技术已悄然作为一类重大科技变革而兴起，受到学术和产业界的高度关注与重视。然而，尽管部分柔性电子器件如柔性仿生电子皮肤等正日益接近人们生活，但有关驱动这些柔性电子产品的柔性电源方面研究却相对落后，成为发展柔性电子最大挑战之一，是近几年研究热点。传统锂电池、超级电容器等都是刚性的，在弯曲等条件下容易造成短路等严重安全问题。为满足柔性电子产品应用需求，柔性储能器件不仅要有较大能量/功率密度、较高循环稳定性和较快充放电速率，而且还应兼具良好可弯曲/柔韧性和加工性，以实现与柔性电子相匹配要求。在众多能量存储器件中，作为微纳储能器件领域前沿研究方向之一的柔性微型超级电容器是最近几年逐渐兴起的一种新型储能源。例如，首次提出的微型超级电容器为基于三维碳管设计出的经典“叉齿”状微型超级电容器，与常用夹层结构柔性超级电容器相比，其内部电解质离子能在同一水平面上堆叠的电极材料中传递(尤其适合二维片状材料)，减小了传输距离和提高了活性物质利用率，并降低堆叠结构弯曲时层与层间剥离风险，在具有电化学电容器功率密度高、充放电速率快等特性同时，器件更容易实现轻薄/柔韧的二维化及微型化，能较好满足柔性电子对供能器件要求，成为超级电容器发展新分支。然而它较低能量密度仍限制着其实际应用，如何在轻薄/柔性条件下实现高能量密度及稳定性是柔性微超电容器研究待解决难题之一。
技术实现思路
本技术的主要目的在于提供一种基于衬底/石墨烯/三元层状氢氧化物一体化电极的柔性微型储能器件，以克服现有技术中的不足。为实现前述技术目的，本技术采用的技术方案包括：本技术实施例一方面提供了一种柔性微型储能器件，其包括柔性衬底、电极和电解质层，所述电极设置在所述柔性衬底表面，所述电解质层至少分布在两个电极之间；其中，所述电极包括设置在柔性衬底表面的微极板、设置在所述微极板表面的集流体层以及设置在所述集流体层表面的电极材料层，所述微极板包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一微极板、第二微极板，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成三维立体双螺旋状微纳结构。进一步的，所述第一微极板、第二微极板的高度为10～50μm，宽度为5～20μm，螺旋圈数为10～50圈，且第一微极板与第二微极板之间的间距大于30μm而小于或等于100μm。进一步的，所述集流体层直接形成于所述微极板的表面，并与所述微极板表面形成连续一体化界面结构。进一步的，所述集流体层包括碳基材料导电薄膜，所述碳基材料导电薄膜具有连续互联结构。进一步的，所述碳基材料导电薄膜的材质包括石墨烯、碳纳米管、导电碳黑、无定型碳的任意一种或两种以上的组合。进一步的，所述碳基材料导电薄膜的厚度为2～10μm。进一步的，所述电极材料层包括金属元素掺杂的Ni基层状双金属氢氧化物纳米片阵列。进一步的，所述金属元素包括元素M和/或元素N，所述元素M包括铁、铜、钒、锌、钼、锡中的任意一种，但不限于此，所述元素N包括钴、锰、铝中的任意一种，但不限于此。进一步的，所述元素M、Ni与元素N的摩尔比例为1∶10∶0～1∶0∶10。进一步的，所述电极材料层原位生长于所述集流体层表面，并与所述集流体层形成连续稳定的界面形态。进一步的，所述电解质层包括聚合物电解质，所述聚合物电解质包括聚乙烯醇-氢氧化钾、聚乙烯醇-氢氧化钠、聚乙烯醇-氯化锂、聚乙烯醇-氯化钾、聚乙烯醇-氯化钠、聚乙烯醇-硫酸钠、聚乙烯醇-硫酸钾等的任意一种或两种以上组合的水溶液。进一步的，所述集流体层上还设置有电极线，所述电极线的一端与所述集流体层电性结合，另一端由所述集流体层表面引出。进一步的，所述柔性衬底与微极板为一体结构。进一步的，所述柔性衬底与微极板的材质相同，所述柔性衬底与微极板的材质均包括聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺和聚乙烯的任意一种或两种以上的组合。进一步的，所述柔性衬底的厚度为20～300μm。进一步的，所述柔性衬底、微极板、集流体层以及电极材料层形成一体化结构。进一步的，所述柔性微型储能器件的厚度为100～500μm。进一步的，所述柔性微型储能器件包括柔性微型超级电容器。本技术实施例另一方面还提供了如所述的柔性微型储能器件的制作方法，其包括：提供表面设有图案化凹槽的模板，所述图案化凹槽包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一凹槽、第二凹槽，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成三维立体双螺旋状微纳结构；在所述模板表面施加碳基材料分散液，形成碳基材料导电薄膜，除去所述模板表面除图案化凹槽之外区域的碳基材料导电薄膜，而使余留于第一凹槽、第二凹槽内的碳基材料导电薄膜作为集流体层；将用于形成柔性衬底的预聚物涂布在所述模板表面，之后使所述预聚物固化形成柔性衬底，再将相互结合的柔性衬底、集流体层与模板分离；其中，位于所述第一凹槽、第二凹槽内的预聚物固化后分别形成第一微极板、第二微极板；在所述集流体层表面涂布由掺杂Ni以及M和/或N元素的金属盐水溶液与含有铵根离子、氢氧根离子的溶液混合形成的混合溶液，之后于25～75℃条件下反应3～25h形成金属元素掺杂的Ni基层状双金属氢氧化物纳米片阵列，进而构件电极材料层；至少在所述电极材料层表面以及第一微极板与第二微极板之间形成聚合物电解质材料，固化后形成电解质层。进一步的，所述的制作方法具体包括：将溶度为1-10wt％的碳基材料分散液涂布在所述模板表面，之后干燥形成具有连续互联结构的碳基材料导电薄膜。进一步的，所述的制作方法具体包括：采用机械剥离的方式除去所述模板表面除图案化凹槽之外区域的碳基材料导电薄膜，而使位于第一凹槽、第二凹槽内的碳基材料导电薄膜被保留。进一步的，所述元素M包括铁、铜、钒、锌、钼、锡中的任意一种，所述元素N包括钴、锰、铝中的任意一种。进一步的，所述元素M、Ni与元素N的摩尔比例为1∶10∶0～1∶0∶10。进一步的，所述金属盐溶液包括硝酸铁、硝酸铜、硝酸钒、硝酸锌、硝酸钼、硝酸锡、硝酸钴、硝酸锰、硝酸铝、硝酸镍、硫酸铁、硫酸铜、硫酸钒、硫酸锌、硫酸钼、硫酸锡、硫酸钴、硫酸锰、硫酸铝、硫酸镍、氯化铁、氯化铜、氯化钒、氯化锌、氯化钼、氯化锡、氯化钴、氯化锰、氯化铝、氯化镍中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步的，含有铵根离子、氢氧根离子的溶液包括NH4Cl/NaOH溶液，所述NH4Cl与NaOH的摩尔比为4∶0.5～4∶0.2。进一步的，所述聚合物电解质材料包括聚乙烯醇-氢氧化钾、聚乙烯醇-氢氧化钠、聚乙烯醇-氯化锂、聚乙烯醇-氯化钾、聚乙烯醇-氯化钠、聚乙烯醇-硫酸钠、聚乙烯醇-硫酸钾等的任意一种或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性微型储能器件，其特征在于包括柔性衬底和多个电极，所述多个电极设置在所述柔性衬底表面，其中任意两个相邻电极之间还分布有电解质层；/n其中，所述电极包括设置在柔性衬底表面的微极板、设置在所述微极板表面的集流体层以及设置在所述集流体层表面的电极材料层，所述微极板包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一微极板、第二微极板，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成三维立体双螺旋状微纳结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性微型储能器件，其特征在于包括柔性衬底和多个电极，所述多个电极设置在所述柔性衬底表面，其中任意两个相邻电极之间还分布有电解质层；
其中，所述电极包括设置在柔性衬底表面的微极板、设置在所述微极板表面的集流体层以及设置在所述集流体层表面的电极材料层，所述微极板包括分别具有第一螺旋结构、第二螺旋结构的第一微极板、第二微极板，所述第一螺旋结构、第二螺旋结构配合形成三维立体双螺旋状微纳结构。


2.根据权利要求1所述的柔性微型储能器件，其特征在于：所述第一微极板、第二微极板的高度为10～50μm，宽度为5～20μm，螺旋圈数为10～50圈，且第一微极板与第二微极板之间的间距大于30μm而小于或等于100μm。


3.根据权利要求1所述的柔性微型储能器件，其特征在于：所述集流体层直接形成于所述微极板的表面，并与所述微极板表面形成连续一体化界面结构。


4.根据权利要求1或3所述的柔性微型储能器件，其特征在于：所述集流体层包括碳基材料导电薄膜，所述碳基材料导电薄膜具有连续互联结构。


5.根据权利要求4所述的柔性微型储能器件，其特征在于：所述碳基材料导电薄膜包括石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜、导电碳黑薄膜、无定型碳薄膜的任意一种或两种以上的组合。


6.根据权利要求4所述的柔性微型储能器件，其特征在于：所述碳基材料导电薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁，张珽，李玥，曹志广，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：新型
国别省市：江苏;32