本發(fā)明涉及一種激光一步化加工的三維內(nèi)雕自封裝的微型超級電容器及加工方法，特別涉及一種內(nèi)部原位合成混合電極材料并三維圖案化的方法，應(yīng)用于三維新型儲能電子器件領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、隨著人們對微型和便攜式電子產(chǎn)品需求的不斷增長，高性能電化學(xué)儲能器件得到了廣泛的研究。微型電池和超級電容器作為兩種最常見的微型儲能設(shè)備，具有顯著的互補(bǔ)性，電池提供高能量密度低功率密度，超級電容器提供高功率密度低能量密度。隨著現(xiàn)代電子商務(wù)需求的不斷增長和能量存儲的高時效性，必須設(shè)計一種同時考慮能量和功率密度的微型儲能裝置。而三維結(jié)構(gòu)用于超級電容器具有大質(zhì)量負(fù)載，可實現(xiàn)更短的互連距離和更緊湊的尺寸，能夠在保持高的功率密度的同時，極大地提升其能量密度，從而進(jìn)一步提高儲能性能。但是限制三維儲能器件發(fā)展的關(guān)鍵因素是其加工問題，以及微型三維超級電容器的組裝和封裝問題，這極大地制約了微型儲能器件的發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了三維微型超級電容器加工難、封裝難的問題。本發(fā)明主要目的之一是提供一種利用激光加工的自封裝三維微型超級電容器，具有極高的精度，尺寸最小可達(dá)1×1平方微米，而整個三維器件的厚度能夠從毫米到厘米，能夠存儲極高的能量，適合大規(guī)模制備，方便運(yùn)輸和儲存。

2、本發(fā)明的主要目的之二是提供一種利用激光加工自封裝三維微型超級電容器的方法，該方法利用激光在混合電解質(zhì)凝膠材料內(nèi)部進(jìn)行圖案化加工，利用光誘導(dǎo)的還原和碳化作用，生成復(fù)合電極材料，由于整個過程是在混合凝膠電解質(zhì)內(nèi)部原位發(fā)生，能夠?qū)崿F(xiàn)電解質(zhì)材料向電極材料的選擇性轉(zhuǎn)化，制備出的圖案化內(nèi)雕的微型超級電容器無需外加的電解質(zhì)和其他的封裝步驟。

3、本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。

4、本發(fā)明公開的一種利用激光加工的自封裝三維微型超級電容器，由圖案化加工的電極及其周圍緊密包裹的混合凝膠電解質(zhì)組成；激光穿透氧化石墨烯量子點摻雜的混合凝膠電解質(zhì)復(fù)合材料，在混合凝膠電解質(zhì)內(nèi)部直接實現(xiàn)圖案化的還原和碳化反應(yīng)合成電極材料，即利用激光誘導(dǎo)的還原和碳化作用在混合凝膠電解質(zhì)材料內(nèi)部進(jìn)行圖案化加工得到圖案化電極，從而由一步化制備出的圖案化電極與原有的混合凝膠電解質(zhì)自組裝形成三維內(nèi)雕自封裝超級電容器。

5、進(jìn)一步的，所述三維內(nèi)雕自封裝超級電容器的電極材料為激光誘導(dǎo)的石墨烯量子點和有機(jī)凝膠轉(zhuǎn)換的碳纖維，該電極的形貌為四面交聯(lián)緊密的多孔狀，具有極高的比表面積。

6、進(jìn)一步的，所述三維內(nèi)雕自封裝超級電容器在混合凝膠電解質(zhì)內(nèi)部直接合成，其三維厚度調(diào)控范圍覆蓋毫米到厘米級別，且所述三維內(nèi)雕自封裝超級電容器的最小尺寸達(dá)到1×1平方微米，最高深徑比達(dá)到20000：1。

7、本發(fā)明還公開利用激光加工自封裝三維微型超級電容器的方法，用于制備所述一種利用激光加工的自封裝三維微型超級電容器。所述利用激光加工自封裝三維微型超級電容器的方法，包括如下步驟：

8、步驟一、利用凍干法制備出透明狀的混合凝膠電解質(zhì)塊體，將凝膠狀混合電解質(zhì)放于二氧化硅基底上；

9、步驟二、利用空域整形擴(kuò)展激光的聚焦長度范圍，將超細(xì)長激光焦線聚焦到混合凝膠電解質(zhì)內(nèi)部，按照預(yù)設(shè)圖案化路徑進(jìn)行直接原位加工；

10、步驟三、利用激光加工后的混合凝膠電解質(zhì)會被碳化和還原生成復(fù)合電極材料，從而在凝膠內(nèi)部生成并構(gòu)造電極形狀。加工后的自封裝三維微型超級電容器無需額外電解質(zhì)和封裝步驟，已在固態(tài)的凝膠電解質(zhì)內(nèi)部形成，從而完成自封裝過程，即加工制備出完整的三維內(nèi)雕自封裝超級電容器。

11、作為優(yōu)選，所述混合凝膠電解質(zhì)塊體由pva、硫酸、戊二醛以及摻雜的氧化石墨烯量子點制備。

12、上述步驟所述超細(xì)長焦線是由錐透鏡和平凸透鏡組合整形而成的，其光域在z軸上達(dá)到2厘米的長度；上述步驟中提到的經(jīng)過激光誘導(dǎo)還原和碳化的復(fù)合電極材料是多孔狀的，且其厚度大小可控，最高達(dá)到2厘米左右；上述步驟中的微型超級電容器最小尺寸達(dá)到1×1平方微米，其微型超級電容器的性能也十分優(yōu)異，其面積和體積電容分別達(dá)到3815mf?cm-2和473.5f?cm-3，響應(yīng)時間超短(0.03ms)，能量密度超高(0.76mwh?cm-2)。

13、有益效果：

14、1、本發(fā)明公開的利用激光加工的自封裝三維微型超級電容器及加工方法，在制備好的氧化石墨烯量子點和凝膠電解質(zhì)的復(fù)合物內(nèi)部利用飛秒激光直接加工，利用混合凝膠電解質(zhì)的透明特性，能夠在混合材料內(nèi)部實現(xiàn)光碳化合成還原氧化石墨烯量子點和碳鏈的新型電極材料，直接加工出自封裝的微型超級電容器。被電解質(zhì)包圍的激光圖案化內(nèi)雕的三維有機(jī)聚合物/石墨烯量子點復(fù)合電極材料，直接一步地被合成。利用氧化石墨烯量子點和凝膠混合材料直接作為一種電解質(zhì)，可以傳導(dǎo)電荷和離子，將電解質(zhì)直接原位選擇性部分轉(zhuǎn)化為電極材料，可以完成電解質(zhì)與電極材料的自組裝。

15、2、本發(fā)明公開的利用激光加工的自封裝三維微型超級電容器及加工方法，自封裝三維微型超級電容器在混合凝膠電解質(zhì)的內(nèi)部直接原位選擇性生成，未被加工的區(qū)域仍然是具有導(dǎo)電性質(zhì)的凝膠電解質(zhì)，因此經(jīng)過激光加工后，其微型超級電容器無需其他的電解質(zhì)和額外的封裝、組裝手段，直接能夠被運(yùn)輸、儲存和應(yīng)用，提高自封裝三維微型超級電容器的制備效率。

16、3、本發(fā)明公開的利用激光加工的自封裝三維微型超級電容器及加工方法，所述三維內(nèi)雕自封裝超級電容器的電極材料為激光誘導(dǎo)的石墨烯量子點和有機(jī)凝膠轉(zhuǎn)換的碳纖維，該電極的形貌為四面交聯(lián)緊密的多孔狀，具有極高的比表面積，能夠儲存大量的電量，并且其響應(yīng)速度極快且功率密度高。

17、4、本發(fā)明公開的利用激光加工的自封裝三維微型超級電容器及加工方法，經(jīng)過激光誘導(dǎo)還原和碳化的復(fù)合電極材料是多孔狀的，三維厚度調(diào)控范圍覆蓋毫米到厘米級別，且所述三維內(nèi)雕自封裝超級電容器的最小尺寸達(dá)到1×1平方微米，最高深徑比達(dá)到20000：1，能夠節(jié)省平面內(nèi)的空間，更利于微型器件的集成化和實際應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種利用激光加工的自封裝三維微型超級電容器，其特征在于：主要由圖案化加工的電極及其周圍緊密包裹的混合凝膠電解質(zhì)組成；激光穿透氧化石墨烯量子點摻雜的混合凝膠電解質(zhì)復(fù)合材料，在混合凝膠電解質(zhì)內(nèi)部直接實現(xiàn)圖案化的還原和碳化反應(yīng)合成電極材料，即利用激光誘導(dǎo)的還原和碳化作用在混合凝膠電解質(zhì)材料內(nèi)部進(jìn)行圖案化加工得到圖案化電極，從而由一步化制備出的圖案化電極與原有的混合凝膠電解質(zhì)自組裝形成三維內(nèi)雕自封裝超級電容器。

2.如權(quán)利要求1所述的一種利用激光加工的自封裝三維微型超級電容器，其特征在于：所述三維內(nèi)雕自封裝超級電容器的電極材料為激光誘導(dǎo)的石墨烯量子點和有機(jī)凝膠轉(zhuǎn)換的碳纖維，該電極的形貌為四面交聯(lián)緊密的多孔狀。

3.如權(quán)利要求1所述的一種利用激光加工的自封裝三維微型超級電容器，其特征在于：所述三維內(nèi)雕自封裝超級電容器在混合凝膠電解質(zhì)內(nèi)部直接合成，其三維厚度調(diào)控范圍覆蓋毫米到厘米級別，且所述三維內(nèi)雕自封裝超級電容器的最小尺寸達(dá)到1×1平方微米，最高深徑比達(dá)到20000：1。

4.利用激光加工自封裝三維微型超級電容器的方法，用于制備如權(quán)利要求1、2或3所述的利用激光加工的自封裝三維微型超級電容器；其特征在于：包括如下步驟：

5.如權(quán)利要求4所述的利用激光加工自封裝三維微型超級電容器的方法，其特征在于：所述混合凝膠電解質(zhì)塊體由pva、硫酸、戊二醛以及摻雜的氧化石墨烯量子點制備。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開的利用激光加工的自封裝三維微型超級電容器及加工方法，屬于三維儲能電子器件領(lǐng)域。本發(fā)明利用激光在混合電解質(zhì)凝膠材料內(nèi)部進(jìn)行圖案化加工，利用光誘導(dǎo)的還原和碳化作用，生成復(fù)合電極材料，由于整個過程是在混合凝膠電解質(zhì)內(nèi)部原位發(fā)生，能夠?qū)崿F(xiàn)電解質(zhì)材料向電極材料的選擇性轉(zhuǎn)化，制備出的圖案化內(nèi)雕的微型超級電容器無需外加的電解質(zhì)和其他的封裝步驟。本發(fā)明利用激光加工的自封裝三維微型超級電容器，主要由圖案化加工的電極組成，所述電極的形貌為四面交聯(lián)緊密的多孔狀。所述三維內(nèi)雕自封裝超級電容器三維厚度調(diào)控范圍覆蓋毫米到厘米級別。本發(fā)明具有存儲能量高的優(yōu)點，適合大規(guī)模制備，方便運(yùn)輸和儲存。

技術(shù)研發(fā)人員：姜瀾,原永玖,李欣,吳守宇,陳博
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26