一种非对称超级电容器制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电系统(Micro Electro Mechanical System MEMS)技术领域，属于微型超级电容器的制造技术范围，具体为一种非对称超级电容器制备方法。
【背景技术】
[0002]MEMS (Micro Electromechanical System，即微机电系统)是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它具有成本低、体积小、自控性强、可靠性高等优点，是近年来最重要的技术创新之一。
[0003]超级电容器是一种新型的储能装置，以其独特的大容量、大电流、快速充放电和高的循环使用寿命等特点，受到世人的青睐，致使许多新型超级电容器相继被研发和应用。MEMS超级电容器具备传统超级电容器优势的同时也表现出可实现器件的微型化、智能化和集成化，大大提高了器件储能密度；简化超级电容器结构设计，更好地匹配设计器件芯片控制电路工作条件，减小器件体积，降低设计成本；提高器件设计系统的可靠性和稳定性。因此MEMS超级电容器受到国内外研宄者的高度关注。但MEMS超级电容器的能量密度低，因此如何提高微型超级电容器的能量密度成为超电容研宄的一个主要方向。
[0004]超级电容器根据储能机理的不同，可分为双电层电容器和法拉第准电容器。双电层电容器是利用电极和电解质之间形成的界面双电层电容来存储能量，其电极通常采用具有高比表面积的多孔碳材料，具有较高的比电容；法拉第准电容器是指在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电极活性物质进行欠电位沉积，使其发生快速、可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应，从而产生比双电层电容器更高的比容量，其电极材料主要是金属氧化物和导电聚合物。但无论基于某个单一原理的超级电容器均无法同时满足能量密度与功率密度的要求，为了同时获得较高的能量密度和功率密度，人们开始设计新型的非对称型电化学超级电容器，即电容器的一极是双电层电极，另一极为法拉第准电容电极。非对称型电化学超级电容器综合了两类电化学电容器的优点，能有效地突破一般超级电容器无法同时满足能量密度与功率密度的局限性，可更好地满足实际应用中负载对电源系统的能量密度和功率密度的整体要求。在移动通讯、信息技术、航空航天和国防科技等领域得到不断应用。但是现有的非对称型电化学超级电容器的电容量还是小，不能完全满足实际应用。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决现有的非对称型电化学超级电容器的电容量小的问题，提供了一种非对称超级电容器制备方法。
[0006]本发明是采用如下的技术方案实现的:一种非对称超级电容器制备方法，包括以下步骤:
S1:选取两片硅片作为基底，清洗硅片基底并烘干；
S2:将清洗烘干后的硅片基底进行氧化，在硅片基底表面形成二氧化硅氧化膜作为电极的绝缘层； 53:在形成绝缘层的其中一片硅片基底的表面通过沉积形成一层金属钛层；
54:将S3中形成的钛层放入阳极氧化装置中进行氧化，形成T12纳米管；
55:在形成的T12纳米管内沉积N1，形成T12纳米管电极；
56:在S2中得到的表面形成绝缘层的另一硅片上均匀旋涂光刻胶；
57:将旋涂好的光刻胶进行前烘、曝光、后烘、显影处理，形成六面体柱状阵列；
58:将六面体柱状阵列放入炭化炉中进行炭化，得到炭化电极；
59:将活性物质电极与炭化电极通过PP膜隔开，并注入KOH电解质组装成非对称超级电容器。
[0007]上述的一种非对称超级电容器制备方法，包括以下步骤:硅片基底氧化为干氧氧化或湿氧氧化，形成的绝缘层厚度为1.5微米。可防止硅基底与电极相接触，形成短路。
[0008]上述的一种非对称超级电容器制备方法，钛层厚度为400nm。由于厚度适中，可避免钛层被氧化穿透。
[0009]上述的一种非对称超级电容器制备方法，阳极氧化电解液为0.05wt%的HF水溶液，氧化过程中阳极为钛电极，阴极为铂电极，形成的1102纳米管的厚度为150nm。在此条件下，形成的T12纳米管排列规则有序，密度高，可控性强。
[0010]上述的一种非对称超级电容器制备方法，所述沉积为恒电流电沉积，时间为20分钟。可在Ti02纳米管载体上生成均匀厚度的金属镍沉积层。
[0011]沉积上述的一种非对称超级电容器制备方法，所述光刻胶为负胶SU-8，旋涂厚度为200微米。厚度较厚，在炭化后形成的孔洞表面积更大，形成电极后相应的比电容会增加。
[0012]本发明提出了非对称超级电容器三维微电极制备方法，该方法利用两个电极均形成多孔结构来增大电极的表面积，同时，负极所用的SU-8胶由于机械性能好，所以炭化之后形成的孔洞垂直侧壁好，进一步提高了超级电容器的比电容。在工艺中，所涉及的阳极氧化与炭化过程简单可行，精度高，易于操作，投资成本不高。因为超级电容器具有比传统电池更高的功率密度，且本发明提出的非对称超级电容器其中一极采用法拉第“准电容”储能原理，明显增加了电容器的能量密度，能有效地解决了普通超级电容器能量密度与功率密度不可兼得的障碍，具有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0013]图1为1102纳米管电极制备工艺流程图。
[0014]图2为T12纳米管电极制备工艺中硅片基底俯视图。
[0015]图3为炭化电极制备工艺流程图。
[0016]图4为炭化电极制备工艺中硅片基底俯视图。
[0017]图5为非对称超级电容器三维微电极整体设计图。
【具体实施方式】
[0018]一种非对称超级电容器制备方法，包括以下步骤:
S1:选取两片2cmX 2cm娃片作为基底，娃片基底依次在双氧水、硫酸/双氧水、盐酸/氨气、双氧水溶液中清洗以去除油污，氧化膜和金属离子，然后烘干； 52:将清洗烘干后的硅片基底放进氧化炉中进行氧化，氧化方式为干法氧化或湿氧氧化，氧化时长为5小时，在硅片基底表面形成二氧化硅氧化膜作为电极的绝缘层，绝缘层厚度为1.5微米；
53:将形成绝缘层的其中一片硅片基底放在沉积系统装置中，在硅片基底表面通过沉积方式沉积金属钛层，其厚度为400nm ；
54:将S3中形成的钛层放入阳极氧化装置中进行氧化，阳极氧化电解液为0.05wt%的HF水溶液，氧化过程中阳极为钛电极，阴极为铂电极，氧化时先施加1V电压20秒，然后0.5V电压30分钟，形成T12纳米管，形成的T1 2纳米孔洞厚度为150nm ；
55:通过恒流电沉积先在形成的T12纳米管内沉积金属Ni，再用循环伏安法进行氧化，生成金属Ni的氧化物氢氧化镍，然后用高温脱水处理得到N1，完成T12纳米管电极的制备；
56:在S2中得到的表面形成绝缘层的另一硅片上均匀旋涂负胶SU-8光刻胶，旋涂厚度为200微米，其中光刻胶需进行前烘处理，以去除光刻胶中的溶剂，起到硅表面固定光刻胶的作用，前烘温度为65°C，时间为10分钟；
57:将光刻胶进行掩模曝光，曝光时间为15s ;然后进行后烘，后烘温度为95°C，时间为半小时；之后显影，在丙酮显影液中显影15分钟，得到六面体柱状阵列；
58:将所得的六面体柱状阵列放入炭化炉中炭化24小时，得到炭化电极；
59:将活性物质电极与炭化电极通过PP膜(聚丙烯膜)隔开，注以KOH电解质组装成非对称超级电容器。
【主权项】
1.一种非对称超级电容器制备方法，其特征在于包括以下步骤: S1:选取两片硅片作为基底，清洗硅片基底并烘干； 52:将清洗烘干后的硅片基底进行氧化，在硅片基底表面形成二氧化硅氧化膜作为电极的绝缘层； 53:在形成绝缘层的其中一片硅片基底的表面通过沉积形成一层金属钛层； 54:将S3中形成的钛层放入阳极氧化装置中进行氧化，形成T12纳米管； 55:在形成的T12纳米管内沉积N1，形成T12纳米管电极； 56:在S2中得到的表面形成绝缘层的另一硅片上均匀旋涂光刻胶； 57:将旋涂好的光刻胶进行前烘、曝光、后烘、显影处理，形成六面体柱状阵列； 58:将六面体柱状阵列放入炭化炉中进行炭化，得到炭化电极； 59:将活性物质电极与炭化电极通过PP膜隔开，并注入KOH电解质组装成非对称超级电容器。
2.根据权利要求1所述的一种非对称超级电容器制备方法，其特征在于包括以下步骤:硅片基底氧化为干氧氧化或湿氧氧化，形成的绝缘层厚度为1.5微米。
3.根据权利要求1或2所述的一种非对称超级电容器制备方法，其特征在于钛层厚度为 400nm。
4.根据权利要求1或2所述的一种非对称超级电容器制备方法，其特征在于阳极氧化电解液为0.05wt%的HF水溶液，氧化过程中阳极为钛电极，阴极为铂电极，形成的Ti02纳米管的厚度为150nm。
5.根据权利要求1或2所述的一种非对称超级电容器制备方法，其特征在于所述沉积为恒电流电沉积，时间为20分钟。
6.根据权利要求1或2所述的一种非对称超级电容器制备方法，其特征在于所述光刻胶为负胶SU-8，旋涂厚度为200微米。
【专利摘要】本发明涉及微机电系统技术领域，具体为一种非对称超级电容器制备方法，包括如下步骤：先准备两片相同的清洁烘干后的硅片基底，将其中一硅片基底的表面氧化形成二氧化硅绝缘层，并沉积一层金属钛，然后阳极氧化形成有序的TiO2纳米管，在TiO2纳米管内沉积NiO，制备得到TiO2纳米管电极；在另一硅片基底上均匀旋涂SU-8胶，然后对此SU-8胶进行光刻处理，形成六面体柱状阵列结构，将此阵列结构进行炭化，制备得到炭化电极，最后将TiO2纳米管电极和炭化电极以PP膜隔开，并填充电解质组装成非对称超级电容器。本发明综合利用了法拉第准电容原理和双电层原理，所制备的两个电极均能形成多孔结构，相比传统的基于双电层原理的超级电容器更大地提高了比电容。
【IPC分类】B81C1-00, H01G11-86, H01G11-84
【公开号】CN104681304
【申请号】CN201510122091
【发明人】李刚, 赵清华, 张文栋, 胡杰, 桑胜波, 马洋, 李朋伟, 菅傲群, 段倩倩
【申请人】太原理工大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月20日