基于超薄聚合物基底的柔性微型超級(jí)電容器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微能源和微機(jī)械加工領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于聚合物超薄膜的貼片式柔性微型超級(jí)電容。
【背景技術(shù)】
[0002]超級(jí)電容(Super-capacitor)是一種電化學(xué)儲(chǔ)能器件，主要基于雙電層效應(yīng)及偽電容效應(yīng)。由于超級(jí)電容具有快速充放電、功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，其研究更是備受關(guān)注。隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，各種便攜式設(shè)備尤其是可穿戴式元件如智能腕帶、柔性電路成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。兼具柔性的超級(jí)電容在作為該類設(shè)備的儲(chǔ)能器件上具有廣泛應(yīng)用前景。
[0003]目前柔性超級(jí)電容相關(guān)工作主要集中于兩個(gè)方面，分別是柔性基底和柔性電極材料，例如，通過(guò)使用噴墨打印的方式將石墨噴在柔性基底形成叉指狀的電極結(jié)構(gòu)以形成柔性超級(jí)電容；由于電極材料碳納米管(CNT)的制備時(shí)需要高溫?zé)o法直接在柔性基底沉積，從而先在娃襯底上生長(zhǎng)碳納米管森林，然后轉(zhuǎn)移到Kapton膠帶上，再粘上銅箔作為電極以形成柔性超級(jí)電容；通過(guò)兩次轉(zhuǎn)移將Si02/Si的基底上由光刻膠直接碳化成叉指結(jié)構(gòu)的電極轉(zhuǎn)移到柔性聚乙薄膜上形成柔性超級(jí)電容。以上制作柔性超級(jí)電容的方式分別為轉(zhuǎn)移電極的方式或者噴墨打印的方式，轉(zhuǎn)移電極的制作方式增加了器件制作工藝的復(fù)雜程度，而噴墨打印的模式對(duì)電極材料的厚度也有所限制，進(jìn)而限制了微型超級(jí)電容器件的儲(chǔ)能密度。
[0004]因此，微型柔性超級(jí)電容器有待于進(jìn)一步研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題之一。為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種基于聚合物二氯對(duì)二甲苯二聚體(Parylene-C)超薄膜的柔性超級(jí)電容器，該柔性超級(jí)電容器還可以是柔性微型超級(jí)電容器，并且該電容器的電極能夠直接在超薄膜襯底上制作，制備工藝簡(jiǎn)單。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種柔性超級(jí)電容器。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該柔性超級(jí)電容器包括:襯底層，所述襯底層是由Parylene-C形成；集流層，所述集流層位于所述襯底層的上表面，并且所述集流層包括:電流收集區(qū)和電流導(dǎo)出區(qū)，其中，所述電流收集區(qū)和所述電流導(dǎo)出區(qū)之間形成電連接；電極層，所述電極層位于所述電流收集區(qū)的上表面；以及固態(tài)電解質(zhì)層，所述固態(tài)電解質(zhì)層覆蓋所述襯底層、所述集流層和所述電極層的至少部分上表面。
[0007]發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，由Parylene-C薄膜作為襯底層，該襯底層輕薄、柔性好，可在其上直接形成電極結(jié)構(gòu)，從而超級(jí)電容器的厚度顯著減小，實(shí)現(xiàn)柔性且貼片化的功能。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種制備前述柔性超級(jí)電容器的方法。該方法包括:利用Parylene-C形成襯底層；在所述襯底層的部分上表面形成集流層；在所述集流層的部分上表面形成電極層；以及形成固態(tài)電介質(zhì)層，以便覆蓋所述襯底層、所述集流層和所述電極層的至少部分上表面，獲得所述柔性超級(jí)電容器。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，利用本發(fā)明的方法，由Parylene-C形成的襯底層，該襯底層輕薄、柔性好，可在其上直接形成電極結(jié)構(gòu)，從而超級(jí)電容器的厚度顯著減小，實(shí)現(xiàn)柔性且貼片化的功能。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的再一方面，本發(fā)明提供了一種電子設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該電子設(shè)備包括:前述的柔性超級(jí)電容器。由此，由于本發(fā)明的超級(jí)電容器兼具柔性以及較好的電容性能，本發(fā)明的柔性超級(jí)電容器，在電子設(shè)備中，尤其是可穿戴電子設(shè)備中，作為電池的補(bǔ)充或者作為電源直接供給設(shè)備，為電子設(shè)備進(jìn)行供電。
[0011]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說(shuō)明】
[0012]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0013]圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的柔性超級(jí)電容器的縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的柔性超級(jí)電容器的縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的柔性超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，固體電解質(zhì)層未示出；
[0016]圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制備柔性超級(jí)電容器的方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0018]在本發(fā)明的描述中，術(shù)語(yǔ)“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明而不是要求本發(fā)明必須以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種電容器。下面參考圖1-3，對(duì)電容器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，其中，圖1-3中電容器各部件的尺寸僅為體現(xiàn)各部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系，不作為電容器實(shí)際部件的尺寸比例參考。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該電容器1000包括:襯底層100、集流層200、電極層300和固態(tài)電解質(zhì)層400，其中，襯底層100是由二氯對(duì)二甲苯二聚體形成的；集流層200位于所述襯底層100的上表面，并且該集流層200包括:電流收集區(qū)210和電流導(dǎo)出區(qū)220，其中，電流收集區(qū)210和電流導(dǎo)出區(qū)220之間形成電連接；電極層300位于電流收集區(qū)210的上表面；固態(tài)電解質(zhì)層400覆蓋襯底層100、集流層200和電極層300的至少部分上表面。[0021 ] 其中，需要說(shuō)明的是，固態(tài)電解質(zhì)層400覆蓋在具有襯底層100、集流層200和電極層300的電容器半成品的上表面，可以根據(jù)需要，確定固態(tài)電解質(zhì)層400面積，優(yōu)選覆蓋該半成品的全部上表面。
[0022]發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，由二氯對(duì)二甲苯二聚體形成的襯底層，該襯底層的薄膜厚度易于控制，具有絕緣和屏障特性，對(duì)其上的部件具有良好的支撐作用，同時(shí)襯底層的輪廓均衡且表面粗糙度小于30nm，可以在其上進(jìn)行薄層結(jié)構(gòu)的加工，從而采用二氯對(duì)二甲苯二聚體為超級(jí)電容器的襯底層，超級(jí)電容器的厚度顯著減小，可以實(shí)現(xiàn)良好的柔性且貼片化的功能，并且，本發(fā)明的超級(jí)電容器的儲(chǔ)能密度較大。
[0023]參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，電容器1000進(jìn)一步包括:隔膜層500，該隔膜層500形成在襯底層100的上表面，并且與集流層200交叉設(shè)置，其中，隔膜層500的厚度不小于集流層200的厚度和電極層300的厚度的總和。由此，隔膜層500和集流層200共同形成的溝槽中，電極層300的厚度大，儲(chǔ)能密度大。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，襯底層100的厚度為8-15 μ m，隔膜層500的厚度為6-100 μ m0由此，襯底層的輕薄，柔性好，易于實(shí)現(xiàn)柔性且貼片化的功能，并且，隔膜層的厚度大，便于填充大量電極材料，從而，電極層的厚度大，儲(chǔ)能密度大。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，集流層200是由金和鈦形成的。由此，超級(jí)電容器的串聯(lián)電阻小，柔性超級(jí)電容器的充放電性能好，電容性能更好。
[0026]參考圖3，為了示出電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖中未示出固態(tài)電解質(zhì)層，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，電極層300包括:第一電極310和第二電極320，其中，第一電極310和第二電極320共同形成叉指結(jié)構(gòu)。由此，叉指型的電極結(jié)構(gòu)能夠使得兩電極間的正對(duì)接觸面積增大，兩電極間的離子通道距離縮短，從而超級(jí)電容器的儲(chǔ)能密度顯著增大，電容量也顯著增加。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種制備前述柔性超級(jí)電容器的方法。該方法包括:利用二氯對(duì)二甲苯二聚體形成襯底層；在所述襯底層的部分上表面形成集流層；在所述集流層的部分上表面形成電極層；以及形成固態(tài)電介質(zhì)層，以便覆蓋所述襯底層、所述集流層和所述電極層的至少部分上表面，獲得所述柔性超級(jí)電容器。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，利用本發(fā)明的方法，由二氯對(duì)二甲苯二聚體形成襯底層，該襯底層的薄膜厚度易于控制，具有絕緣和屏障特性，對(duì)其上的部件具有良好的支撐作用，同時(shí)襯底層的輪廓均衡且表面粗糙度小于30nm，易于在其上進(jìn)行薄層結(jié)構(gòu)的加工，從而，利用本發(fā)明的方法，采用二氯對(duì)二甲苯二聚體為襯底層，制備得到的電容器，電容器的厚度顯著減小，可以實(shí)現(xiàn)良好的柔性且貼片化的功能，并且，電容器單位面積的儲(chǔ)能密度大。
[0029]參考圖4，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)制備前述柔性超級(jí)電容器的方法進(jìn)行說(shuō)明，該方法包括:
[0030]a)采用氣相沉積法，在硅片上形成二氯對(duì)二甲苯二聚體(Parylene-C)薄膜，以便獲得襯底層。由此，利用該方法進(jìn)行沉積，沉積過(guò)程無(wú)其他副產(chǎn)品產(chǎn)生，在硅片上形成輕薄、厚度均勻，柔性好的襯底層，并且，該襯底層具有絕緣和屏障特性，同時(shí)，該襯底層輪廓均衡且表面粗糙度小于30nm。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，襯底層的厚度為8-15 μπι。由此，襯底層的輕薄，柔性好，易于實(shí)現(xiàn)柔性且貼片化的功能。
[0031]b)在襯底層的上表面形成金屬層，對(duì)金屬層進(jìn)行光刻處理，以便獲得具有第一預(yù)定圖案的集流層，所該集流層包括:電流收集區(qū)和電流導(dǎo)出