[发明专利]一种叉指结构的平面微型超级电容器电极的高效制备方法

说明书

一种叉指结构的平面微型超级电容器电极的制备方法，包括：(1)在基板上获得基于二维纳米材料的薄膜；(2)用带有尖端的刮擦工具按预先设计好的图案将薄膜上需要除去的部分直接刮擦掉，得到叉指结构的平面微型超级电容器电极；所述刮擦工具的尖端的尺寸不大于需要除去部分最窄处的尺寸。本发明的制备方法具有简易、高效、普适性强、低成本且环境友好的优点。

技术领域

本文涉及一种叉指结构的平面微型超级电容器电极的制备方法。

背景技术

近年来，随着微型便携式电子设备的蓬勃发展，对于能够提供高能量和功率密度的储能装置需求越来越迫切。在各种储能装置中，超级电容器作为一种新型储能器件，可填补电池功率密度与平板电容器能量密度的不足，因而受到科技工作者的青睐。影响平面超级电容器性能的两个主要因素是电极材料的选择和器件的制备技术。

自2004年，Geim等人成功制备出石墨烯纳米片，二维纳米材料引起了研究者们广泛的兴趣。相比于其他维度的纳米材料，二维纳米材料有如下的独特优势：第一，电子能在二维表面快速传递而不受约束，特别是在单原子层的二维纳米材料中这种特性更明显，该特征使二维纳米材料成为电子器件应用的强有力的候选者；其次，原子层厚度的二维纳米材料具有极高的机械柔韧性和光学透明度，该特征有利于其应用于高度柔性和透明的电子/光电子器件的制造；最后，较大的横向尺寸和超薄的厚度赋予二维纳米材料超高的比表面积，该特征有利于其应用于超级电容器，因为高比表面积是决定超级电容器性能的关键参数之一。近年来，众多二维纳米材料，例如石墨烯(Graphene)、二维金属有机框架化合物材料(Two-dimensional metal-organic frameworks,2D-MOFs)、二维金属碳化物或氮化物(MXenes)、层状双金属氢氧化物(Layered double hydroxides)等已被报道并成功应用于平面超级电容器的电极材料。

目前，多种制备平面超级电容器电极的方法已被报道。这些方法大致可以分为两类：第一，牺牲模板的间接制备法，例如光刻蚀法、等离子体刻蚀法等；第二，直接将活性材料图案化为叉指结构微电极的方法，如喷墨印刷方法和激光照射辅助制造法等。由于活性材料的不同，各种制备方法都有一定的局限性。

方法之一光刻蚀法：该方法是在基板表面涂上光刻胶薄层，经过光照、显影工序，在光刻胶上留下掩膜版的图案。接着以光刻胶图案为保护膜，对选定的区域进行刻蚀，再去除光刻胶得到预先设计的电极图案。最后，在电极图案上沉积活性材料层，得到平面超级电容器电极。这一方法的优点是电极的制备精度高，但是该方法电极制备过程较复杂。例如，涂胶前需要对基板进行前期的脱水烘焙处理来提高基板和光刻胶的结合力；曝光前需要再次对光刻胶进行前烘处理以提高其和基板间的结合；电极图案的显影质量受前期基板的脱水处理、前烘过程、光刻胶的厚度、显影液的浓度等多个因素影响，这些因素也影响最终的电极图案的质量。此外，显影剂溶液所含的诸如高浓度有机物和重金属等化学试剂会污染环境。虽然，有些报道表明光刻胶可以直接热解成活性电极阵列，但这一过程必须在高温下进行。总之，光刻蚀法制备平面超级电容器电极的方法具有局限性。

方法之二等离子刻蚀法：该方法是在衬底上先合成活性材料薄膜，再通过溅射/蒸发法沉积集电极阵列，最后结合掩膜辅助，使用等离子体刻蚀以去除活性材料薄膜的暴露部分得到叉指结构微电极。和光刻法类似，等离子体的掩膜一般为光刻胶，掩膜的制备和去除过程较为麻烦；另外，等离子体的刻蚀设备需要高压高真空条件且非常昂贵。这些因素限制了该方法的应用。

方法之三激光照射辅助制造方法：该方法是一种简单的、可规模化的制备方法。利用激光的光热效应，可以直接将氧化石墨烯转化为还原氧化石墨，从而构建叉指结构微电极。但是激光产生的热效应对活性材料和基板有影响，仅适用于热稳定性好的材料。另外，激光发生器也较为昂贵。这些因素限制了该方法的应用。