基于超薄聚合物基底的柔性微型超級電容器的制造方法
【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電容。
【背景技術(shù)】
[0002]超級電容(Super-capacitor)是一種電化學(xué)儲能器件，主要基于雙電層效應(yīng)及偽電容效應(yīng)。由于超級電容具有快速充放電、功率密度高、循環(huán)壽命長等特點，其研究更是備受關(guān)注。隨著微機電系統(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、柔性電路成為當前的研究熱點。兼具柔性的超級電容在作為該類設(shè)備的儲能器件上具有廣泛應(yīng)用前景。
[0003]目前柔性超級電容相關(guān)工作主要集中于兩個方面，分別是柔性基底和柔性電極材料，例如，通過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)以形成柔性超級電容；由于電極材料碳納米管(CNT)的制備時需要高溫無法直接在柔性基底沉積，從而先在娃襯底上生長碳納米管森林，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電容；通過兩次轉(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電容。以上制作柔性超級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電極材料的厚度也有所限制，進而限制了微型超級電容器件的儲能密度。
[0004]因此，微型柔性超級電容器有待于進一步研究。

【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)問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種基于聚合物二氯對二甲苯二聚體(Parylene-C)超薄膜的柔性超級電容器，該柔性超級電容器還可以是柔性微型超級電容器，并且該電容器的電極能夠直接在超薄膜襯底上制作，制備工藝簡單。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種柔性超級電容器。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該柔性超級電容器包括: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)，從而超級電容器的厚度顯著減小，實現(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，獲得所述柔性超級電容器。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的實施例，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)，從而超級電容器的厚度顯著減小，實現(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)明的實施例，該電子設(shè)備包括:前述的柔性超級電容器。由此，由于本發(fā)明的超級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，作為電池的補充或者作為電源直接供給設(shè)備，為電子設(shè)備進行供電。
[0011]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點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，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0012]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實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)明一個實施例的柔性超級電容器的縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的柔性超級電容器的縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的柔性超級電容器結(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)明一個實施例的制備柔性超級電容器的方法示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0018]在本發(fā)明的描述中，術(shù)語“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，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種電容器。下面參考圖1-3，對電容器的結(jié)構(gòu)進行描述，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，不作為電容器實際部件的尺寸比例參考。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的實施例，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，對其上的部件具有良好的支撐作用，同時襯底層的輪廓均衡且表面粗糙度小于30nm，可以在其上進行薄層結(jié)構(gòu)的加工，從而采用二氯對二甲苯二聚體為超級電容器的襯底層，超級電容器的厚度顯著減小，可以實現(xiàn)良好的柔性且貼片化的功能，并且，本發(fā)明的超級電容器的儲能密度較大。
[0023]參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，電容器1000進一步包括: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，儲能密度大。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，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，儲能密度大。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，集流層200是由金和鈦形成的。由此，超級電容器的串聯(lián)電阻小，柔性超級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接觸面積增大，兩電極間的離子通道距離縮短，從而超級電容器的儲能密度顯著增大，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電容器的方法。該方法包括:利用二氯對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，獲得所述柔性超級電容器。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的實施例，利用本發(fā)明的方法，由二氯對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，對其上的部件具有良好的支撐作用，同時襯底層的輪廓均衡且表面粗糙度小于30nm，易于在其上進行薄層結(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能密度大。
[0029]參考圖4，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，對制備前述柔性超級電容器的方法進行說明，該方法包括:
[0030]a)采用氣相沉積法，在硅片上形成二氯對二甲苯二聚體(Parylene-C)薄膜，以便獲得襯底層。由此，利用該方法進行沉積，沉積過程無其他副產(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，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，對金屬層進行光刻處理，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