[发明专利]膜式超级电容器及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2012年1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引用并入。

发明背景

(a)发明领域

本发明涉及膜式超级电容器及其制造方法，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发明背景，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。

发明概述

本发明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。

本发明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。

根据本发明的实施方式，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。