一种平面式超薄柔性高电压超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种平面式超薄柔性高电压超级电容器及其制备方法。具体以超薄柔性金属片作导电串联介质，相邻金属片边沿喷涂聚四氟乙烯或者涂覆耐高温环氧树脂AB胶作绝缘层，采用热固化聚酰亚胺前驱液或者粘贴PI薄膜的方法在金属片上获得聚合物层，通过激光加工PI固化层/薄膜制备石墨烯电极材料，在其表面滴涂水凝胶电解质并粘贴铜箔作集流体完成超级电容器的封装。得益于中间薄层金属片的串联效果，最终可输出10V以上的高电压；由于金属片和PI固化层/薄膜厚度可控，可实现超薄串联结构设计；且金属片优异的柔韧性和强度高度适用于制备柔性高电压超级电容器。其可作为能量存储/补给装置，在可穿戴器件和集成电子领域颇具应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种平面式超薄柔性高电压超级电容器及其制备方法
本专利技术属于超级电容器
，具体涉及一种平面式超薄柔性高电压超级电容器及其制备方法。
技术介绍
平面式柔性高电压超级电容器因其轻薄便携式、柔韧性、高循环寿命及高功率/能量密度等优势而频繁作为功率/能量补给装置应用到可穿戴设施、集成微电路系统等场合中，可按需提供一定范围的电压输出和能量供给。在实际应用中，高密度集成电子芯片/电路板的应用电压多数集中在为3-5V，小型电子器件(如智能手表、电子钟、温/湿度计等)、可穿戴柔性电子皮肤/传感器的应用电压基本在3V以内，此外移动充电电源的额定电压为5V。然而，一般无串联结构的超级电容器稳定工作电压在一般在1V左右，这主要受限于电解质的水解电压所致。现有的制造方法通过直接在柔性基质上加工出电连接部分完成串联高电压结构封装，有利于构建高电压柔性化超级电容器，但没有很好地利用基质/衬底上下表面进行串联设计，故难以进一步优化超级电容器的整体结构，实现更为紧凑的高电压封装。因此，在高密度器件集成系统应用中高电压超级电容器仍然存在结构冗余、紧凑性和一体化性能偏低等问题。虽然采用飞秒激光加工、电动喷墨打印等高精度制造方法可制得紧凑高电压结构，但无疑会带来更高的制造成本。
技术实现思路
针对超级电容器输出电压不够高、结构紧凑性低、串联电连接部分冗余、串联高电压制备工艺繁琐等问题，本专利技术旨在提供一种平面式超薄柔性高电压超级电容器及其制备方法，以满足可穿戴柔性器件和高密度集成电子设备对高电压的需求。具体以金属片作为高弹性基体和串联电连接介质，通过热固化工艺在其上下表层附着一定厚度聚酰亚胺固化层，采用激光加工方法在不同功率下制备叉指状图案化电极(激光诱导石墨烯)和电连接部分(目的是实现多个超级电容器的串联)，利用导电集流体封装超级电容器，并在石墨烯电极表面涂覆水凝胶电解质，依此制得的超级电容器整体厚度可控制在0.5mm以下，可实现10V以上高电压输出，同时具备金属片附属的优异柔韧性。该超薄高电压超级电容器(HVSCs)在可穿戴柔性器件和集成电子领域具备广阔的应该前景。本专利技术的技术方案如下。一种平面式超薄柔性高电压超级电容器，包括聚合物薄层，电导通部分，绝缘涂层，石墨烯电极，导电金属片；所述聚合物薄层包括第一聚合物薄层和第二聚合物薄层，所述电导通部分包括第一电导通部分和第二电导通部分；所述石墨烯电极包括第一石墨烯电极和第二石墨烯电极；所述导电金属片由绝缘涂层彼此分隔形成多段；所述导电金属片的上表面和下表面分别设置有第一聚合物薄层以及第二聚合物薄层；所述第一聚合物薄层上、对应每段所述导电金属片均开设有第一电导通部分，且相邻所述第一电导通部分之间绝缘；所述第二聚合物薄层上、对应每段所述导电金属片均开设有第二电导通部分，且相邻所述第二电导通部分之间绝缘；所述第一聚合物薄层和所述第二聚合物薄层上分别设置有第一石墨烯电极、第二石墨烯电极；电流由同一段的第一石墨烯电极经过第一电导通部分、导电金属片、第二电导通部分流通至第二石墨烯电极，同时由前一段的第二石墨烯电极经过后一段的第二电导通部分、导电金属片、第一电导通部分流通至同一段的第一石墨烯电极。进一步地，所述导电金属片为高柔韧性导电金属片。进一步地，所述导电金属片为弹簧钢、铍青铜和磷青铜中的一种；所述电导通部分为导电银浆或者喷金；所述石墨烯电极为叉指状。进一步地，所述的叉指状为矩形，矩形数量为八、十、十二中的一种，单个尺寸为1.5×10mm。进一步地，所述绝缘部分为聚四氟乙烯喷剂或者耐高温环氧树脂AB胶；所述聚合物薄层为聚合物胶带或前驱液通过热固化形成的固化层。进一步地，所述胶带为含有芳环和酰亚胺结构单元的高分子聚酰亚胺胶带和聚醚酰亚胺胶带中的一种，通过粘贴的方式附着；所述的固化层是以聚酰亚胺为前驱液，通过刷涂后热固化方式附着，其中热固化工艺为低真空度下多温度梯度的加热与保温；所述的前驱液为热塑液或者热固液中的一种。进一步地，所述导电金属片的尺寸为25/30×30mm、25/30×5mm、25/30×15mm中的一种或多种，厚度为0.02mm、0.03mm、0.04mm中的一种；所述耐高温环氧树脂AB胶为TH-801、TH-802、TE-9249、TE-9128中的一种，在高温热固化过程中具备优异的热稳定性；所述聚酰亚胺胶带的厚度为0.04mm、0.05mm、0.055mm、0.08mm中的一种。进一步地，所述第一段导电金属片上的第一石墨烯电极与最后一段导电金属片的第二石墨烯电极上设有导电集流体；所述导电集流体为镍箔、铜箔、银浆、银纳米线、金纳米粒子中的一种或者两种以上；所有第一石墨烯电极与第二石墨烯电极上均设有凝胶电解质。以上所述的一种平面式超薄柔性高电压超级电容器的制备方法，包括以下步骤：(1)剪取不同尺寸的导电金属片，对导电金属片侧边部分进行电绝缘处理形成电绝缘部分，并在导电金属片上下表面附着聚合物薄层；(2)采用激光加工聚合物层制备图案化石墨烯电极(LIG)，调高激光功率将电导通部分的聚合物层完全去除，并涂覆导电银浆或者喷金的电连接处理实现石墨烯电极与导电金属片的电导通；(3)利用导电集流体对超级电容器进行封装，滴涂凝胶电解质至石墨烯电极部分，通过控制超级电容器的串联数量，可实现不同高电压的输出。进一步地，步骤(1)中，所述的电绝缘处理为喷涂聚四氟乙烯(PTFE)喷剂或者滴涂耐高温环氧树脂AB胶中的一种；所述的聚合物层为含有芳环和酰亚胺结构单元的高分子聚酰亚胺(PI)膜和聚醚酰亚胺膜中的一种。进一步地，步骤(2)中，所述激光为二氧化碳红外激光；所述二氧化碳红外激光的扫描速度为100mm/s，加工石墨烯电极部分的功率为9.6％，加工电导通部分的功率为12％；所述的电连接处理为喷金或者涂覆银浆中的一种。进一步地，步骤(3)中，所述导电集流体的添加方式为粘贴、刷涂、喷涂、电化学沉积中的一种；所述凝胶电解质为聚合物骨架和增塑剂的混合物，添加方式为滴涂、刷涂、旋涂中的一种；所述聚合物骨架为聚丙烯酸酯、聚环氧乙烷、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(乙二醇)共混聚(丙烯腈)中的一种；所述增塑剂为有机溶剂和支撑电解质的混合；所述有机溶剂为碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、二甲基甲酰胺、丁内脂、四氢呋喃中的两种或者两种以上；所述支撑电解质为氯化钾、高氯酸钾、硫酸、磷酸、氢氧化钾、氯化钾中的一种；所述的旋涂参数为500-600r/min，时长3-5min，固化后层厚0.2-0.5mm。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1.本专利技术采用磷铜带作弹性电连接基体可附属超级电容器优异的柔韧性，在弯曲或者扭转状态下具备优异的CV性能。2.本专利技术首次提出在弹性金属片衬底上下表面设计串联封装，实现更为紧凑的结构。3.本专利技术通过控制磷铜带和聚酰亚胺薄膜/固化层的厚度，可制备整体厚度(包括电解质层厚)在0.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平面式超薄柔性高电压超级电容器，其特征在于，包括聚合物薄层(1)、电导通部分(2)、绝缘涂层(3)、石墨烯电极(5)、导电金属片(6)；所述聚合物薄层(1)包括第一聚合物薄层和第二聚合物薄层，所述电导通部分(2)包括第一电导通部分和第二电导通部分；所述石墨烯电极(5)包括第一石墨烯电极和第二石墨烯电极；/n所述导电金属片(6)由绝缘涂层(3)彼此分隔形成多段；所述导电金属片(6)的上表面和下表面分别设置有第一聚合物薄层以及第二聚合物薄层；所述第一聚合物薄层上、对应每段所述导电金属片均开设有第一电导通部分，且相邻所述第一电导通部分之间绝缘；所述第二聚合物薄层上、对应每段所述导电金属片均开设有第二电导通部分，且相邻所述第二电导通部分之间绝缘；所述第一聚合物薄层和所述第二聚合物薄层上分别设置有第一石墨烯电极、第二石墨烯电极；/n电流由同一段的第一石墨烯电极经过第一电导通部分、导电金属片、第二电导通部分流通至第二石墨烯电极，同时由前一段的第二石墨烯电极经过后一段的第二电导通部分、导电金属片、第一电导通部分流通至同一段的第一石墨烯电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种平面式超薄柔性高电压超级电容器，其特征在于，包括聚合物薄层(1)、电导通部分(2)、绝缘涂层(3)、石墨烯电极(5)、导电金属片(6)；所述聚合物薄层(1)包括第一聚合物薄层和第二聚合物薄层，所述电导通部分(2)包括第一电导通部分和第二电导通部分；所述石墨烯电极(5)包括第一石墨烯电极和第二石墨烯电极；
所述导电金属片(6)由绝缘涂层(3)彼此分隔形成多段；所述导电金属片(6)的上表面和下表面分别设置有第一聚合物薄层以及第二聚合物薄层；所述第一聚合物薄层上、对应每段所述导电金属片均开设有第一电导通部分，且相邻所述第一电导通部分之间绝缘；所述第二聚合物薄层上、对应每段所述导电金属片均开设有第二电导通部分，且相邻所述第二电导通部分之间绝缘；所述第一聚合物薄层和所述第二聚合物薄层上分别设置有第一石墨烯电极、第二石墨烯电极；
电流由同一段的第一石墨烯电极经过第一电导通部分、导电金属片、第二电导通部分流通至第二石墨烯电极，同时由前一段的第二石墨烯电极经过后一段的第二电导通部分、导电金属片、第一电导通部分流通至同一段的第一石墨烯电极。


2.根据权利要求1所述的一种平面式超薄柔性高电压超级电容器，其特征在于，所述导电金属片(6)为弹簧钢、铍青铜和磷青铜中的一种；所述的电导通部分(2)为导电银浆或者喷金；所述石墨烯电极(5)为叉指状。


3.根据权利要求2所述的一种平面式超薄柔性高电压超级电容器，其特征在于，所述的叉指状为矩形，矩形数量为八、十、十二中的一种。


4.根据权利要求3所述的一种平面式超薄柔性高电压超级电容器，其特征在于，所述绝缘涂层(3)为聚四氟乙烯喷剂或者耐高温环氧树脂AB胶；所述聚合物薄层(1)为聚合物胶带或前驱液通过热固化形成的固化层。


5.根据权利要求4所述的一种平面式超薄柔性高电压超级电容器，其特征在于，所述导电金属片的尺寸为25/30×30mm、25/30×5mm、25/30×15mm中的一种或多种，厚度为0.02mm、0.03mm、0.04mm中的一种；所述耐高温环氧树脂AB胶为TH-801、TH-802、TE-9249、TE-9128中的一种；所述聚合物薄层(1)为聚酰亚胺胶带，厚度为0.04mm、0.05mm、0.055mm、0.08mm中的一种。


6.根据权利要求1-5任一项所述的一种平面式超薄柔性高电压超级电容器...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢颖熙，白石根，汤勇，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44