[发明专利]一种导电聚合物修饰的超级电容器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器技术领域，特别涉及导电聚合物修饰的超级电容器及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的发展，人们对绿色能源和生态环境越来越关注。超级电容器又称电化学电容器，是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件。与传统蓄电池相比，超级电容器具有较高的能量密度、功率密度和长循环寿命等，作为一种清洁、高效的新型储能器件，受到越来越多研究人员的关注，超级电容器技术的发展核心是电极材料。按照超级电容器研究领域的国际权威B.E.Conway教授对超级电容器的定义，可以将其分为两类：一类是双电层电容器，代表材料为多孔碳材料（活性炭、碳纤维、碳纳米管等）；另一类是赝电容器，代表材料为金属氧化物（RuO₂、IrO₂等）以及导电聚合物（聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及其衍生物）。

导电聚合物制备的超级电容器具有成本低、容量高、充放电时间短、环境友好和安全性高等优点，因此导电聚合物作为电极材料的研究引起了人们广泛的兴趣。目前导电聚合物薄膜多以电化学聚合的方法与无机材料复合制备超级电容器电极。其中，涉及到的专利申请有一种导电聚苯胺聚吡咯复合膜的制备方法（文献号：CN102020845A）；一种导电聚吡咯的制备方法（文献号：CN101979438A）；三维结构聚吡咯微电极及其制造方法（文献号：CN101950685A）。以上制备的导电聚合物薄膜用于修饰电极，比容量高，器件性能好，但电化学工艺复杂，可控性弱。而目前对于直接氧化聚合制备导电聚合物薄膜电极还鲜有报导，该方法制备出的薄膜不仅性能优良，且方法简单，易操作。

微电子机械系统（MEMS）具有移动性、自控性、集成化等特点，是近年来最重要的技术创新之一。当一个子系统可以集成在一块芯片上时，电源也必须完成小型化、微型化的革命。MEMS微能源系统是基于MEMS技术，将一个或多个电能供给装置集成一个特征尺寸为微米级、外观尺寸为厘米级的微系统，能实现长时间、高效能、多模式供电，特别适用于传统电源无法供应的某些特殊环境。电子产品小型化、微型化、集成化是当今世界技术发展的大趋势,电源微型化、可集成化也是当今世界技术发展的大趋势。

发明内容

本发明针对现有微型超级电容器电极制备方法中存在的方法单一、过程复杂的技术问题，提供一种导电聚合物修饰的微型超级电容器及其制备方法。本发明提供的导电聚合物修饰的微型超级电容器由若干个微型电容器结构串、并联而成，每个微型电容器结构采用MEMS技术制作于同一硅衬底材料中、金属电极表面沉积导电聚合物薄膜，具有比容量大和集成度高的特点。

本发明技术方案如下：

一种导电聚合物修饰的超级电容器，包括硅基片和设置于硅基片中的若干个微型电容器。

所有微型电容器具有相同的结构；每个微型电容器包括一对设置于硅基片中的微型凹槽，两个微型凹槽之间具有一个隔离柱，所述隔离柱的高度低于微型凹槽的深度；两个微型凹槽的槽壁沉积有金属电极层，金属电极层表面沉积有导电聚合物薄膜；沉积了金属电极层和导电聚合物薄膜的两个微型凹槽分别作为微型电容器的阴极和阳极；两个微型凹槽内部灌注电解液后密封封装于硅基片内部。

所有微型电容器相互并联，形成超级电容器；或者先由相同数量的微型电容器相互串联，形成一个串联支路；再由若干个串联支路相互并联，形成超级电容器。

上述导电聚合物修饰的超级电容器，其中所述金属电极层材料为金属镍、铝、铂或钛等；所述导电聚合物薄膜为聚苯胺薄膜、聚吡咯薄膜或聚噻吩薄膜；所述电解液为H₂SO₄、H₃PO₄、NaNO₃或KOH的水溶液。其中H₂SO₄水溶液的浓度在0.5～1mol/L之间，H₃PO₄水溶液的浓度在0.5～1mol/L之间，NaNO₃水溶液的浓度在1~3mol/L之间，KOH水溶液的浓度在0.5～1mol/L之间。

需要说明的是，在每对微型凹槽构成的微型电容器结构中，两个微型凹槽之间的隔离柱的作用是防止微型电容器两极短路；同时隔离柱的高度要低于微型凹槽的深度，以确保电解液能够在两极之间流动。

一种导电聚合物修饰的超级电容器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用两片形状和大小相同的硅基片，在每片硅基片上相同的区域刻蚀若干对微型凹槽，每对微型凹槽之间具有相同的隔离柱；