一种微纳多孔石墨烯基平面微型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微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器及其制备方法，包括以下步骤：在聚酰亚胺胶带的表面均匀涂覆氢氧化钾晶体；利用离焦状态的第一紫外激光作用于柔性基底上，并在第一紫外激光光斑的重叠扫描作用下加工出微纳多孔石墨烯；将微纳多孔石墨烯进行热处理；将集流体附着于微纳多孔石墨烯电极；利用聚焦状态的第二紫外激光在微纳多孔石墨烯电极表面雕刻出极小尺寸的叉指电极；在叉指电极表面涂覆水凝胶电解质，去除残余气体和多余水分后利用柔性薄膜进行封装，得到微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器。本技术方案提出的一种微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器及其制备方法，步骤简单，可操作性强，便于微型超级电容器的大规模生产。级电容器的大规模生产。级电容器的大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及微型超级电容器
，尤其涉及一种微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着微电子、小型便携式/可穿戴设备和物联网需求的持续激增，激发了现代社会对可高度集成的片上微型储能器件的不懈追求。具有叉指结构电极的平面微型超级电容器以超薄厚度、小体积、易集成、高功率密度、长循环寿命等优点，有望成为下一代柔性电子设备重要的储能器件而备受关注。然而，目前平面微型超级电容器面临两方面的技术挑战，一方面是高性能电极材料的高效、可控制备，另一方面是极小尺寸叉指电极的高精度加工。
[0003]近年来，幸得激光诱导石墨烯技术的诞生，使得在柔性基底上高效、高可控加工多孔石墨烯电极成为可能。然而该技术生成的多孔石墨烯电极面临孔隙结构欠发达、浸润性差的瓶颈问题。另一方面，当前绝大部分传统工艺(如丝网印刷、3D/喷墨打印、激光图案化、光刻等)加工的叉指电极整体尺寸较大(长度和宽度＞1cm)且叉指电极的间隙较宽(≥100μm)，这使得在片上有限的区间内难以集成一定数量的微型超级电容器，导致其很难为微电子、小型便携式/可穿戴设备提供高电压和高功率。
[0004]因此，开发一种新型的可高度集成的超亲水微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器的方法势在必行。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提出一种微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器的制备方法，一方面能有效解决现有多孔石墨烯电极面临的孔隙结构欠发达、浸润性差的瓶颈问题，另一方面能解决现有平面微型超级电容器尺寸较大、电极叉指间隙较宽的技术问题，步骤简单，可操作性强，便于微型超级电容器的大规模生产。
[0006]本专利技术的目的在于提出一种使用上述制备方法制备的微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器，其集成度高，具有优异的亲水性和柔韧性，便于克服现有技术的不足之处。
[0007]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤S1、在聚酰亚胺胶带的表面均匀涂覆氢氧化钾晶体，得到柔性基底；
[0010]步骤S2、利用离焦状态的第一紫外激光作用于步骤S1的柔性基底上，并在第一紫外激光光斑的重叠扫描作用下加工出微纳多孔石墨烯；其中，所述第一紫外激光的波长不高于355nm，脉冲宽度不高于10ps，且所述第一紫外激光离焦后的光斑直径大于所述第一紫外激光的扫描间距；
[0011]步骤S3、将步骤S2的微纳多孔石墨烯进行热处理，得到微纳多孔石墨烯电极；
[0012]步骤S4、将集流体附着于步骤S3的微纳多孔石墨烯电极；
[0013]步骤S5、利用聚焦状态的第二紫外激光在步骤S4的微纳多孔石墨烯电极表面雕刻
出叉指电极；其中，所述第二紫外激光的波长不高于400nm，所述第二紫外激光的脉冲宽度为(35～10000)fs；所述叉指电极为梳形叉指图案阵列，且所述叉指电极的电极面积＜0.25cm2，叉指间隙≤35μm；
[0014]步骤S6、在步骤S5的叉指电极表面涂覆水凝胶电解质，去除残余气体和多余水分后利用柔性薄膜进行封装，得到微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器。
[0015]优选的，步骤S2中，所述第一紫外激光离焦后的光斑直径为200～250μm，所述第一紫外激光的扫描间距为25.4～27μm，扫描速度为40～60mm/s，激光功率为5.55～5.92W。
[0016]优选的，步骤S5中，所述第二紫外激光的扫描间距不高于25.4μm，扫描速度为500～1500mm/s。
[0017]优选的，步骤S5具体包括以下步骤：利用聚焦状态的第二紫外激光在步骤S4的微纳多孔石墨烯电极表面两次逆向扫描雕刻出叉指电极；其中，所述叉指电极的叉指间隙＜10μm。
[0018]优选的，步骤S5中，所述叉指电极的微电极数量为12～20，且所述叉指电极的微电极数量为偶数个，所述微电极的长宽比为10～15。
[0019]优选的，步骤S1具体包括以下步骤：
[0020]步骤S11、准备厚度不低于50μm的聚酰亚胺胶带；
[0021]步骤S12、将氢氧化钾溶液均匀涂覆在步骤S11的聚酰亚胺胶带的表面；
[0022]步骤S13、将步骤S12的聚酰亚胺胶带在90～100℃的温度下烘干，得到柔性基底，且所述柔性基底的氢氧化钾晶体负载量不高于10.94g/m2。
[0023]优选的，步骤S3中，所述热处理包括焦耳加热处理、微波加热处理和热传导加热处理中的任意一种。
[0024]优选的，步骤S4中，所述集流体为导电金属纳米粒子或铜箔和导电银浆的结合中的任意一种；
[0025]当所述集流体为导电金属纳米粒子时，所述集流体的厚度大于50nm；
[0026]当所述集流体为铜箔和导电银浆的结合时，所述集流体的厚度为25～50μm。
[0027]优选的，步骤S6中，水凝胶电解质包括聚合物基底和水系溶液，所述聚合物基底包括聚乙烯醇、明胶、聚丙烯晴、聚氧乙烯和聚偏氟乙烯中的任意一种，所述水系溶液为酸溶液、碱溶液和盐溶液中的任意一种；所述柔性薄膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，且所述柔性薄膜的厚度为10～15μm。
[0028]一种微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器，使用上述的微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器的制备方法制备而成。
[0029]本申请实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
[0030]1、通过利用超短脉宽的超快激光所产生的局部高温高压特性，同时利用紫外波长激光的高光子能量及光斑重复扫描策略实现在柔性基底上生成以微孔(＜2nm)结构为主、具有超亲水特性的微纳多孔石墨烯。
[0031]2、采用紫外超快激光刻蚀技术高精度雕刻出超小尺寸和超窄叉指间隙的叉指电极，有利于在片上有限的区间内集成更多数量的微型超级电容器，为微电子、小型便携式/可穿戴设备提供更高的电压和功率。
[0032]3、制备方法一方面能有效解决现有多孔石墨烯电极面临的孔隙结构欠发达、浸润
性差的瓶颈问题，另一方面能解决现有平面微型超级电容器尺寸较大、电极叉指间隙较宽的技术问题，步骤简单，可操作性强，便于微型超级电容器的大规模生产。
附图说明
[0033]图1是氢氧化钾晶体涂覆的聚酰亚胺胶带的示意图。
[0034]图2是激光初始扫描过程中，氢氧化钾晶体与生成的多孔石墨烯的混合示意图。
[0035]图3是激光重叠扫描过程中，氢氧化钾晶体与多孔石墨烯发生活化反应的示意图。
[0036]图4是多孔石墨烯的SEM图像。
[0037]图5是微纳多孔石墨烯的SEM图像。
[0038]图6是本专利技术实施例1中平面微型超级电容器的循环伏安和恒电流充放电曲线。
[0039]图7是本专利技术实施例2中平面微型超级电容器的循环伏安和恒电流充放电曲线。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、在聚酰亚胺胶带的表面均匀涂覆氢氧化钾晶体，得到柔性基底；步骤S2、利用离焦状态的第一紫外激光作用于步骤S1的柔性基底上，并在第一紫外激光光斑的重叠扫描作用下加工出微纳多孔石墨烯；其中，所述第一紫外激光的波长不高于355nm，脉冲宽度不高于10ps，且所述第一紫外激光离焦后的光斑直径大于所述第一紫外激光的扫描间距；步骤S3、将步骤S2的微纳多孔石墨烯进行热处理，得到微纳多孔石墨烯电极；步骤S4、将集流体附着于步骤S3的微纳多孔石墨烯电极；步骤S5、利用聚焦状态的第二紫外激光在步骤S4的微纳多孔石墨烯电极表面雕刻出叉指电极；其中，所述第二紫外激光的波长不高于400nm，所述第二紫外激光的脉冲宽度为(35～10000)fs；所述叉指电极为梳形叉指图案阵列，且所述叉指电极的电极面积＜0.25cm2，叉指间隙≤35μm；步骤S6、在步骤S5的叉指电极表面涂覆水凝胶电解质，去除残余气体和多余水分后利用柔性薄膜进行封装，得到微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器。2.根据权利要求1所述的一种微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述第一紫外激光离焦后的光斑直径为200～250μm，所述第一紫外激光的扫描间距为25.4～27μm，扫描速度为40～60mm/s，激光功率为5.55～5.92W。3.根据权利要求1所述的一种微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器的制备方法，其特征在于：步骤S5中，所述第二紫外激光的扫描间距不高于25.4μm，扫描速度为500～1500mm/s。4.根据权利要求3所述的一种微纳多孔石墨烯基平面微型超级电容器的制备方法，其特征在于，步骤S5具体包括以下步骤：利用聚焦状态的第二紫外激光在步骤S4的微纳多孔石墨烯电极表面两次逆向扫描雕刻出叉指电极；其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘辉龙，陈云，陈新，高健，侯茂祥，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：