混合式非对称超级电容器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种混合式非对称超级电容器及其制备方法。方法包括：集流体沉积步骤，将集流体及其黏附层溅射在两片基片上，形成两片衬底；共溅射步骤，在两片衬底上磁控共溅射金和牺牲模板，形成混合物；刻蚀步骤，对混合物进行选择性刻蚀，形成多孔金电极，用作阴极；原子层沉积步骤，在多孔金电极表面共形生长氧化铝层，形成氧化铝覆盖多孔金电极，用作阳极；组装步骤，在阳极和阴极之间插入经过电解质浸润的分离隔膜，形成混合式非对称超级电容器。本发明专利技术结合了超级电容器和电解电容器的优点，形成的混合式非对称超级电容器具有高特征频率和良好的容量稳定性。同时，该制备方法具备在标准CMOS集成电路制造工厂进行大规模生产的潜力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
混合式非对称超级电容器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及超级电容器
，尤其涉及一种混合式非对称超级电容器及其制备方法。

技术介绍

[0002]双电层超级电容器是最简单和最商业化的超级电容器，大表面积和孔隙率的电极材料使双电层超级电容具有较大的能量密度，但同时也增加了电荷的传输距离，增大了超级电容器等效串联电阻，这就导致双电层超级电容器具有较低的特征频率并在高频表现出很明显的容量衰减，限制了其在电路中的应用。
[0003]电解电容的等效串联电阻较小，因而具有良好的频率特性，但电解电容器能量密度低，且体积庞大，不利于在尺寸不断缩小的集成电路中应用。
[0004]因此，由混合电极材料组成的混合式超级电容器已成为开发高能量密度和大功率密度超级电容器器件较为主流的策略。
[0005]传统混合式超级电容器两个电极通常具有不同的储能机制，如双电层电容
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赝电容，双电层电容
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电池电极。然而，由于组成混合式超级电容器的两类电容(或电容
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电池)在高扫描速率和高工作频率下电容衰减迅速，因此很难在一个传统的混合式超级电容器中同时实现高特征频率和高电容密度的特性。最广泛应用的混合式超级电容器是活性炭材料/二氧化锰以及活性炭材料/氢氧化镍。这类双电层电容
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赝电容混合电容器虽在高工作频率下电容衰减有所减缓，但仍难以应用于工作频率在百赫兹以上的集成电路，难以满足现代集成电路和微系统的工作频率要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种混合式非对称超级电容器及其制备方法。
[0007]本专利技术提供的混合式非对称超级电容器的制备方法包括：
[0008]集流体沉积步骤，将集流体及其黏附层通过物理气相沉积在两片基片上，形成两片衬底；
[0009]共溅射步骤，在两片所述衬底上磁控共溅射金和牺牲模板，形成混合物；
[0010]刻蚀步骤，利用刻蚀剂对所述混合物进行选择性刻蚀，去除所述牺牲模板，形成第一多孔金电极和第二多孔金电极，所述第一多孔金电极用作阴极；
[0011]原子层沉积步骤，通过原子层沉积方法在所述第二多孔金电极表面共形生长氧化铝层，形成氧化铝覆盖多孔金电极，所述氧化铝覆盖多孔金电极用作阳极；
[0012]组装步骤，在所述阳极和所述阴极之间插入经过电解质浸润的分离隔膜，形成混合式非对称超级电容器。
[0013]根据本专利技术提供的一种混合式非对称超级电容器的制备方法，所述共溅射步骤中，金的溅射功率为交流300W，所述牺牲模板的溅射功率为直流1000W。
[0014]根据本专利技术提供的一种混合式非对称超级电容器的制备方法，所述牺牲模板为银，所述刻蚀剂为硝酸。
[0015]根据本专利技术提供的一种混合式非对称超级电容器的制备方法，所述集流体及其黏附层包括厚度为10至20纳米的铬和厚度为50纳米的金。
[0016]根据本专利技术提供的一种混合式非对称超级电容器的制备方法，所述氧化铝层的厚度为5至15纳米。
[0017]根据本专利技术提供的一种混合式非对称超级电容器的制备方法，所述分离隔膜包括有机电解质。
[0018]根据本专利技术提供的一种混合式非对称超级电容器的制备方法，所述有机电解质为K105B。
[0019]根据本专利技术提供的一种混合式非对称超级电容器的制备方法，所述基片包括硅基底和二氧化硅绝缘层。
[0020]根据本专利技术提供的一种所述硅基底的厚度为400微米，所述二氧化硅绝缘层的厚度为300纳米。
[0021]本专利技术提供的混合式非对称超级电容器，包括：
[0022]阴极，所述阴极为多孔金电极；
[0023]阳极，所述阳极为氧化铝覆盖多孔金电极。
[0024]本专利技术提供的混合式非对称超级电容器及其制备方法，通过将暴露表面积和孔隙率较大的多孔金电极作为阴极，形成大能量密度的电化学超级电容器；通过将等效串联电阻较小的氧化铝覆盖多孔金电极作为阳极，形成具有良好频率特性的电解电容器；通过阴极阳极的非对称电极设计，结合了超级电容器和电解电容器的优点，形成的混合式非对称超级电容器具有超过2,400Hz的特征频率，并且在高频区域具有良好的容量稳定性。同时，该制备方法可与CMOS工艺兼容，因此具备在标准CMOS集成电路制造工厂进行大规模生产的潜力。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1是本专利技术实施例提供的混合式非对称超级电容器的制备方法的流程示意图之一；
[0027]图2是本专利技术实施例提供的混合式非对称超级电容器的制备方法的流程示意图之二；
[0028]图3是本专利技术实施例提供的氧化铝覆盖多孔金电极高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)表征图；
[0029]图4是本专利技术实施例提供的混合式非对称超级电容器阳极和阴极X射线光电子能谱(XPS)表征图；
[0030]图5是本专利技术实施例提供的不同电容器的电容密度与频率的关系示意图；
[0031]图6是本专利技术实施例提供的不同电容器的相位角度与频率的关系示意图。
具体实施方式
[0032]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0033]下面结合图1
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图5描述本专利技术的混合式非对称超级电容器的制备方法。
[0034]如图1至图2所示，本专利技术实施例提供的混合式非对称超级电容器的制备方法包括：
[0035]集流体沉积步骤，将集流体及其黏附层通过物理气相沉积在两片基片上，形成两片衬底；
[0036]共溅射步骤，在两片所述衬底上磁控共溅射金和牺牲模板，形成混合物；
[0037]刻蚀步骤，利用刻蚀剂对所述混合物进行选择性刻蚀，去除所述牺牲模板，形成第一多孔金电极和第二多孔金电极，所述第一多孔金电极用作阴极；
[0038]原子层沉积步骤，通过原子层沉积方法在所述第二多孔金电极表面共形生长氧化铝层，形成氧化铝覆盖多孔金电极，所述氧化铝覆盖多孔金电极用作阳极；
[0039]组装步骤，在所述阳极和所述阴极之间插入经过电解质浸润的分离隔膜，形成混合式非对称超级电容器。
[0040]本专利技术实施例提供的混合式非对称超级电容器及其制备方法，通过将暴露表面积和孔隙率较大的多孔金电极作为阴极，形成大能量密度的电化学超级电容器；通过将等效串联电阻较小本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合式非对称超级电容器的制备方法，其特征在于，包括：集流体沉积步骤，将集流体及其黏附层通过物理气相沉积在两片基片上，形成两片衬底；共溅射步骤，在两片所述衬底上磁控共溅射金和牺牲模板，形成混合物；刻蚀步骤，利用刻蚀剂对所述混合物进行选择性刻蚀，去除所述牺牲模板，形成第一多孔金电极和第二多孔金电极，所述第一多孔金电极用作阴极；原子层沉积步骤，通过原子层沉积方法在所述第二多孔金电极表面共形生长氧化铝层，形成氧化铝覆盖多孔金电极，所述氧化铝覆盖多孔金电极用作阳极；组装步骤，在所述阳极和所述阴极之间插入经过电解质浸润的分离隔膜，形成混合式非对称超级电容器。2.根据权利要求1所述的混合式非对称超级电容器的制备方法，其特征在于，所述共溅射步骤中，金的溅射功率为交流300W，所述牺牲模板的溅射功率为直流1000W。3.根据权利要求1所述的混合式非对称超级电容器的制备方法，其特征在于，所述牺牲模板为银，所述刻蚀剂为硝酸。4.根据权利要求1所述的混合式非...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓红，李张善昊，严梓芸，许明豪，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：