复合电极材料及其用图
【技术领域】
[0001]本发明涉及微能源和微机械加工领域，具体地，涉及一种复合电极材料及其用途，更具体地，涉及复合电极材料、电极、超级电容和制备超级电容的方法。
【背景技术】
[0002]超级电容(Super-capacitor, Ultra-capacitor, Electrochemical capacitor)是一种电能存储器件，具有远高于二次电池的充放电功率和循环寿命。其储能机理包括基于碳材料的双电层效应(Electric double layer effect)和基于金属氧化物或者导电聚合物的伪电容效应。微型超级电容常作为微电池的补充以实现微能源的管理，或者作为电源为微系统供电。随着各种电子系统的微型化和高度集成化，微型储能器件需要在有限芯片面积上获得尽可能高的储能密度，为此，储能器件需要垂直于芯片面积的第三维方向延伸而形成三维电极结构，从而实现单位芯片面积上更多活性材料的上载。目前人们在三维电极结构方面进行了大量研究工作，例如基于三维聚吡咯电极结构的微型超级电容器，实现了单位面积上较高的电容量；采用化学气相沉积的方法在硅基上制备了厚的碳纳米管森林，实现了超级电容的三维电极结构，并通过电化学沉积的方法在三维碳纳米管森林内部生长镍纳米颗粒，进一步提高了器件单位面积上的储能密度采用微加工工艺在硅片上制备了高深宽比沟槽，并通过向沟槽中填充活性碳复合材料的方法得到了三维的微型电极，得到了很高的容量。
[0003]虽然这些器件都展示了单位面积上较高的容量，但是这些器件均采用液态电解质，因为液态电解质良好的流动性，可以有效渗透到厚的电极内部。然而液态电解质的使用可能会带来电解质泄露、电极间短路的危险，因此大多数应用场合，人们多采用固态电解质，特别是在可穿戴、便携式电子系统中。然而固态电解质在厚的三维电极中的充分渗透问题限制了三维电极结构在全固态储能器件中的应用。
[0004]由此，基于固态电解质的电容有待研究。
【发明内容】
[0005]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种复合电极材料，利用该复合电极材料制备的超级电容，有效地解决了固态电解质难于渗透至电极内部的问题，超级电容的电极层的厚度大，储能密度高。
[0006]因而，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种复合电极材料。根据本发明的实施例，该复合电极材料包括:炭基活性材料；和固态电解质材料，所述固态电解质材料包括导离子的基质和用于提供电解质阴离子和电解质阳离子的离子化合物。
[0007]根据本发明实施例的复合电极材料，直接将炭基活性材料与固体电解质材料混合，在电极中形成了离子导通通道，省去了通常的电解质渗透进入电极中形成电极的离子导通通道过程，也避免了固体电解质材料难于渗透而引起的电极厚度小的问题。
[0008]另外，根据本发明上述实施例的复合电极材料还可以具有如下附加的技术特征:
[0009]根据本发明的实施例，所述导离子的基质和所述离子化合物的质量比为(1-2):
Ιο
[0010]根据本发明的实施例，所述导离子的基质为选自聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯和梳形聚醚的至少一种。
[0011]根据本发明的实施例，所述离子化合物为选自磷酸、硫酸、硫酸钠、硫酸钾、氯化钾、氢氧化钾、氢氧化钠的至少一种。
[0012]根据本发明的实施例，所述炭基活性材料为选自活性炭、碳黑、石墨稀、多孔碳和碳纳米管的至少一种。
[0013]根据本发明的实施例，所述炭基活性材料的质量分数为(60-90) %。
[0014]根据本发明的另一方面，本发明提供了一种电极。根据本发明的实施例，所述电极是由前述的复合电极材料形成的。
[0015]根据本发明实施例的电极，不仅含有常规的电极材料炭基活性材料，还含有固体电解质材料，该电极的炭基活性材料和固体电解质材料形成了离子导通通道，省去了通常的电解质渗透进入电极中形成电极的离子导通通道过程，也避免了固态电解质难于渗透而引起的电极厚度小的问题。由此，本发明实施例的电极，电极厚度大，储能密度高。
[0016]根据本发明的实施例，所述电极的厚度为200-300微米。
[0017]根据本发明的又一方面，本发明提供了一种超级电容。根据本发明的实施例，该超级电容包括:前述的电极。
[0018]根据本发明实施例的超级电容，其电极不仅含有常规的电极材料，炭基活性材料，还含有固体电解质材料，电极炭基活性材料和固态电解质形成了离子导通通道，省去了通常的电解质渗透进入电极中形成电极的离子导通通道过程，有效地解决了高粘稠度的固态电解质难于渗透而引起的电极厚度小的问题。由此，电极厚度大，储能密度高，进而，超级电容的电容容量大，能量密度和功率密度高，电容性更佳。
[0019]根据本发明的再一方面，本发明提供了一种制备超级电容的方法。根据本发明的实施例，该方法包括:形成衬底层；在所述衬底层的部分上表面形成集流层；在所述集流层的部分上表面形成复合电极层，所述复合电极层包括炭基活性材料和固态电解质材料，其中，所述固态电解质材料包括导离子的基质和用于提供电解质阴离子和电解质阳离子的离子化合物；以及形成固态电解质层，以便覆盖所述衬底层、所述集流层和所述复合电极层的至少部分上表面，获得所述超级电容。
[0020]根据本发明的实施例，利用该方法制备的超级电容，其电极不仅含有常规的电极材料炭基活性材料，还含有固态电解质，电极的炭基活性材料和固态电解质形成了离子导通通道，省去了通常的电解质渗透进入电极中形成电极的离子导通通道过程，也避免了固态电解质难于渗透而引起的电极厚度小的问题。由此，电极厚度大，储能密度高，进而，超级电容的电容性更佳。
[0021]根据本发明的实施例，该方法包括:在硅片上形成薄膜，以便获得所述衬底层；在所述衬底层的上表面形成金属层，并对所述金属层进行光刻处理，以便获得具有第一预定图案的集流层；通过沉积光刻胶，在所述衬底层上形成具有第二预定图案的隔膜层，所述隔膜层与所述集流层交叉设置，其中，所述隔膜层的厚度大于所述集流层的厚度，以便形成叉指形沟槽；从所述衬底层上分离所述硅片；在所述叉指形沟槽中填充所述炭基活性材料和所述固态电解质材料，以便在所述集流层的部分上表面形成所述复合电极层；以及通过施加固态电解质溶液并使所述固态电解质溶液固化，以便形成所述固态电解质层，获得所述超级电容器，其中，所述固态电解质溶液含有所述固态电解质材料。
[0022]根据本发明的实施例，所述填充所述炭基活性材料和所述固态电解质材料是通过以下步骤进行的:将固态电解质材料溶解，以便得到所述固态电解质溶液；炭基活性材料与所述固态电解质溶液混合并超声，以便得到复合电极材料混悬液；以及在所述叉指形沟槽内注入所述复合电极材料混悬液，挥发所述复合电极材料混悬液的溶剂，以便在所述集流层的部分上表面形成所述复合电极层。
[0023]根据本发明的实施例，所述填充所述炭基活性材料和所述固态电解质材料是通过以下步骤进行的:利用炭基活性材料在所述叉指形沟槽内形成具有微孔的碳电极层；以及将固态电解质材料注入至所述碳电极层的所述微孔中，以便形成复合电极层。
[0024]根据本发明的实施例，所述电极层的厚度为200-300微米。
[0025]根据本发明的实施例，所述导离子的基质和