[发明专利]一种平面式超级电容器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种平面式超级电容器及其制备方法，平面式超级电容器由串联的多组超级电容器构成，其以柔性高分子聚合物薄膜作为衬底和碳源，薄膜上具有成排的激光诱导石墨烯；导电集流体固定在柔性高分子聚合物薄膜上并相邻于第一个和最后一个激光诱导石墨烯，并且构成接触；凝胶电解质作为封装层，覆设在激光诱导石墨烯上且填充激光诱导石墨烯之间的间隙；平面式超级电容器通过激光刻蚀中间激光诱导石墨烯的封装层来构成电子通道和离子通道交替相接的串联结构，由凝胶电解质间隔的每两个激光诱导石墨烯构成一组超级电容器且其电解质部分作为离子通道，激光刻蚀线作为分隔不同组超级电容器的电子通道。本发明电容器具备高输出电压和紧凑型结构。

技术领域

本发明涉及超级电容器技术领域，特别涉及一种平面式超级电容器及其制备方法。

背景技术

高电压超级电容器因其微小型、便携式、柔韧性、高循环寿命及高功率/能量密度等优势而频繁作为功率补给装置应用到可穿戴电子器件、集成微电路系统，可满足一定范围的电压输出和能量供给。但是在实际应用中，高密度集成电子芯片/电路板的应用电压为3～5V，小型电子器件(如智能手表、电子钟、温/湿度计等)、可穿戴柔性电子皮肤/传感器的应用电压在3V以内，移动充电电源的额定电压为5V。然而普通单组超级电容器稳定工作电压在一般在1V左右，通过传统导电连接实现的高电压设计在高密度器件集成系统中存在结构冗余、紧凑性和一体化性能低、并且难以在小面积范围内实现3V以上高电压输出。

目前现有的制造方法是通过直接在柔性基质上加工出电连接部分，从而完成串联高电压结构封装，这样的方式虽然有利于构建高电压柔性化超级电容器，但难以进一步优化超级电容器的整体结构，实现更为紧凑的高电压封装。为了提高微小型超级电容器的工作电压，通常采用飞秒激光、电动喷墨打印等高精度制造方法获得紧凑型结构，但由此带来的设备和制造成本更高。

发明内容

本发明的第一目的在于针对超级电容器工作电压低、串联电连接部分冗余、串联高电压制备工艺繁琐、整体结构紧凑性低等问题，提供一种平面式超级电容器，该电容器具备高输出电压和紧凑型结构，在可穿戴柔性器件和集成电子领域具备广阔的应用前景。

本发明的第二目的在于提供一种平面式超级电容器的制备方法，该方法可制备出满足可穿戴柔性器件和高密度集成电子设施的高电压需求的微小型高电压超级电容器。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种平面式超级电容器，所述平面式超级电容器由串联的多组超级电容器构成，并且通过控制超级电容器的串联数量来控制输出电压；

其中，所述平面式超级电容器以同一柔性高分子聚合物薄膜作为衬底和碳源，柔性高分子聚合物薄膜上具有成排的多个激光诱导石墨烯；导电集流体固定在柔性高分子聚合物薄膜上且相邻于第一个和最后一个激光诱导石墨烯，第一个和最后一个激光诱导石墨烯分别与对应的导电集流体相接触；凝胶电解质作为封装层，覆设在激光诱导石墨烯上且填充不同激光诱导石墨烯之间的间隙；

位于第一个和最后一个激光诱导石墨烯之间的不同激光诱导石墨烯分别通过激光刻蚀其封装层；所述平面式超级电容器通过激光刻蚀产生的激光刻蚀线构成电子通道和离子通道交替相接的串联结构，其中，由凝胶电解质间隔的每两个激光诱导石墨烯构成一组超级电容器，超级电容器的凝胶电解质部分作为离子通道，激光刻蚀线作为电子通道并且分隔不同组超级电容器。

优选的，柔性高分子聚合物薄膜为含有芳环和酰亚胺结构单元的高分子聚酰亚胺膜或者聚醚酰亚胺膜。

优选的，激光诱导石墨烯通过激光加工方法制备，所用激光由二氧化碳红外激光器发出，激光的波长为10.6μm。

优选的，导电集流体为镍箔、铜箔、银浆、银纳米线、金纳米粒子中的至少一种，其采用刷涂、喷涂或电化学沉积的方式添加在柔性高分子聚合物薄膜上。

优选的，凝胶电解质为聚合物骨架和增塑剂的混合物。