膜式超级电容器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及膜式微型超级电容器及其制造方法，包括采用石墨烯或石墨烯氧化物来制造电极膜的方法，经由图案化法将石墨烯或石墨烯氧化物电极膜分离成两个独立的电极来形成二维电极的方法，用于形成二维电极的平面内结构的方法，在电极上形成集流体的方法以及通过向二维电极供给电解质来制造具有微米厚度的超级电容器的方法。该膜式微型超级电容器可以有效取代或支持在诸如需要非常小电源的微电子机械系统(MEMS)、纸型显示器、或智能卡的非常小型的电子器件领域中的电池。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请要求享有2012年I月20日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2012-0006869号的优先权及权益，该韩国专利申请的全部内容在此通过弓I用并入。
技术介绍
(a)专利
本专利技术涉及，包括通过采用石墨烯或石墨烯氧化物来制造电极膜的方法，通过经由图案化法将石墨烯或石墨烯氧化物电极膜分离成两个电极来形成二维电极的方法，具有二维电极的平面内结构，在电极上形成集流体的方法以及通过向二维电极供给电解质来制造具有微米厚度的超级电容器的方法。(b)相关技术的描述尺寸减小的便携式电子器件逐渐发展为非常小型的模式，并且电池被嵌入便携式电子器件中，以便在考虑变得更薄的设备时使性能最好。便携式设备将最终发展到纸状的超薄的设备，因此其电池也必须变得非常薄，但是现有锂电池的结构不适合或不适用于非常薄的电子器件。为解决上述问题，已经开发出锂薄膜电池，但是它们的每一体积充电性能比一般锂电池糟糕，它们的生产成本贵三倍，且还由于锂而先天具有危险性。因此，难以将它们应用于生物应用领域如人造器官和微型机器人。作为将取代锂电池的未来储能装置而快速成长的超级电容器是下一代储能设备，它们能在几秒钟内快速充放电，提供比可再充电电池高10倍的电力并提供超过50万次循环的半永久使用期。超级电容器每一重量的储能大体相当于传统电池的1/10，且其每一体积储能水平近似于锂电池，近期报道指出超级电容器在每一体积的能量密度和功率密度上胜过现有电池。对于重量轻的非常小型的电子器件而言每一体积储能水平比重量更为重要，因此作为电源装置的膜式微型超级电容器非常适用于非常小型的电子器件。而且膜式微型超级电容器不包括稀土资源或重金属，故其价格低廉且是环境友好的，并不产生氧化还原反应，因而成为根本不会发生爆炸且绝对安全的未来储能装置。膜式微型超级电容器将取代现有电池且用于需要非常小的电源的非常小型的电子器件的领域，诸如薄如纸张的配件式便携电话、微型机器人、人造器官、智能卡、微电子机械系统(MEMS)以及纸型显示器。与锂薄膜电池的发展一样，关于膜式微型超级电容器技术和科研的讨论才刚刚开始。采用石墨烯开发的超薄膜式超级电容器得到的且已经证明超级电容器就性能而言可以取代电池的实验结论已在Nano Letters (Yco等,2011,第11卷,第1423-1427页)上公开发表。进一步来说,Toulouse University (法国)和Drexel University (美国)合作研究团队使用洋葱状碳(OLC)制造了一种超级电容器电极来评估能量和功率特性的极大提升，并发表在 Nature Nanotechnology (Brunet 等,第 5 卷,第 651-654 页)。据报道，对锂电池、 电解液电容器和传统超级电容器的比较通过显示出基于OLC的超级电容器胜过传统超级电容器，其能量特性几乎等于或胜于锂电池，其耗电与电解液电容器相当而显示了极好的特性。据报道，预计膜式超级电容器相关技术将快速增长。超级电容器完全不包含锂，故被认为是就安全获取方面而言的最佳电源。然而，现有超级电容器具有和一般电池同样的结构，故不易缩小尺寸。换言之，传统超级电容器具有堆叠结构，其中两个电极、集流体以及隔膜以夹心形式被堆叠，因而难以制造用于MEMS的非常小的且薄的形状的传统超级电容器。特别是当石墨烯用于超级电容器时，堆叠结构具有离子迁移率的问题，因此显著降低了效率。此背景部分所披露的上述信息仅为了加深理解专利技术背景，且因此可能包含并不会形成在国内对本领域技术人员已知的现有技术的信息。专利技术概述本专利技术的一个示例性实施方式提供了一种用于制造膜式超级电容器的方法，包括:在附着于衬底的电极膜的两侧上形成集流体；以及通过将所述电极膜图案化为平面内结构来形成两个分离的电极。本专利技术的另一实施方式提供了一种膜式超级电容器，其包括电极膜两侧上的集流体，其中所述电极膜形成了以平面内结构被图案化且被分离的两个电极。根据本专利技术的实施方式，膜 式微型超级电容器能用于取代或支持在诸如需要非常小电源的微电子机械系统(MEMS)、纸型显示器以及智能卡的非常小型的电子器件领域中的电池。此外，二维石墨烯微型超级电容器可应用于非常小型的电子器件用的微型储能设备。附图说明图1所示为传统超级电容器的堆叠式石墨烯电极结构的示意图。图2所示为依据本专利技术实施方式的平面内结构化的超级电容器用的石墨烯电极结构的示意图。图3所示为用于制造超级电容器的过程的示意图。图4至图7所示为可用于分离电极的图案的其他示例性实施方式。图8所示为经过图3示出的制造过程制造的超级电容器的构型图，并且图9所示为所制造的超级电容器的二维图案的照片。图10所示为使用所制造的超级电容器测量的循环伏安法的实际数据。图11所示为显示了相对于体积的能量密度和功率密度之间的关系的Ragone图。实施方式的详细描述以下将参照显示了本专利技术的示例性实施方式的附图来更充分地描述本专利技术。本领域的技术人员会认识到，所描述的实施方式可以多种不同方式修改，全都不偏离本专利技术的精神或范围。略去与描述不相关的部分以清楚诠释本专利技术，且在整个说明书中，相同的参考数字标示相同的部件。此外，除非明确相反描述，词语“包括(comprise)”及其变化如“包括(comprises) ”或“包括(comprising) ”将被认为包含所述部件但不排除其他任何部件。电极材料现有的超级电容器使用活性碳为电极材料，而在根据本专利技术的实施方式的膜式超级电容器中使用活性碳为电极材料时，其具有一些弱点。首先，超级电容器对于每个原子都具有多层结构，且活性碳具有比石墨烯低的比表面积，因此存储空间是相对小的。此外，活性碳具有的低导电率损害了电荷转移的效率，所以，为克服这一问题，具有低比表面积和相对高导电率的炭黑被用作制造电极的添加剂。因此，电极的整个比表面积进一步降低。与之相较，石墨烯具有2630m2/g的表面积，与石墨的比表面积(_10m2/g)或活性碳的比表面积(_500m2/g)相比是非常大的。而且，石墨烯的导电率高，故形成电极时不需要诸如炭黑的添加剂。石墨烯的电化学性能与碳纳米管非常类似，但石墨烯不需要像碳纳米管的复杂的提纯过程，故从商业角度看石墨烯比碳纳米管更易于加工。其次，制作碳纳米管时所使用的预定量的催化剂材料在已经历多次提纯过程时仍被检测出有残留。残留的杂质具有金属纳米颗粒形式的电化学活化的特性，故改变了碳纳米管的整个电化学特性。这种特性能够影响超级电容器的可靠性。在石墨烯的情形中，在如化学气相沉积和化学剥离的大多数制造方法中并不会产生由诸如碳纳米管的催化剂导致的问题。因此，石墨烯因其高比表面积、高导电率和高电化学稳定性而非常适合用于电化学储能设备的电极。电极结构为制造根据本专利技术实施方式的膜式超级电容器，在有限的体积内必须存储尽可能多的电荷。因此，期望采用具有多层结构的材料来提供堆叠的电荷的存储空间而不浪费存储空间。石墨烯具有基于原子的多层结构，故适合用于制造膜式超级电容器的电极。详细来说，石墨烯可以通过在石墨烯上进行逐层自组装，过滤石墨烯或铸造石墨烯而被制造成具有膜状。当通过采用堆叠式结构的石墨烯膜作为电极来提高电荷存储空间的效率以及使用已有的夹心结构的超级电容器设计时，电解质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造膜式超级电容器的方法，包括：在附着于衬底的电极膜的两侧上形成集流体；以及通过将所述电极膜图案化为平面内结构来形成两个分离的电极。

【技术特征摘要】
2012.01.20 KR 10-2012-00068691.一种用于制造膜式超级电容器的方法，包括: 在附着于衬底的电极膜的两侧上形成集流体；以及 通过将所述电极膜图案化为平面内结构来形成两个分离的电极。2.如权利要求1所述的方法，还包括 通过金属镀覆加强所述电极膜与所述集流体的粘结部分。3.如权利要求1所述的方法，其中 所述集流体通过采用薄膜沉积法、镀覆法、丝网印刷法、铸造法以及附膜法中的一种来形成。4.如权利要求1所述的方法，其中 石墨烯或石墨烯氧化物被用于所述电极膜。5.如权利要求1所述的方法，还包括 向所制得的超级电容器供给电解质。6.如权利要求5所述的方法，其中 水溶性电解质、有机电解质、离子液体电解质以及固体电解质中的一种用于所述电解质。7.如权利要求1所述的方法，其中 所述分离的电极通过经使用光学划线、机械划线、化学蚀刻、印刷和印刻中的一种在所述电极膜上图案化连续的缝隙而形成。8.如权利要求7所述的方法，其中 所述分离的电极被图案化为阶梯形、线形、圆形以及锯齿形中的一种。9.如权利要求1所述的方法，还包括 化学还原所述电极膜或所述分离的电极。10.如权利要求9所述的方法，其中 所述化学还原...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘进，柳晶竣，
申请(专利权)人：韩国科学技术院，
类型：发明
国别省市：