CN101901691A - 一种基于有机电解液的微型超级电容器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于微电子机械技术领域的一种基于有机电解液的微型超级电容器及其制造方法。该微型超级电容器是在一片聚酰亚胺支撑体上依次排列微电极、多孔聚合物隔离体、微电极;在微电极及隔离体中浸渍了电解液,在组合体面上再盖上相同的一片聚酰亚胺支撑体形成一个电容器单元,以多个电容器单元的聚酰亚胺支撑体相互连接后卷绕成为硬币状结构,在币状结构两侧为铝封盖,铝封盖同时作为电极端子起集流体的作用,铝封盖与微电极的大面积接触可有效降低微型超级电容器电阻,进而达到改善微型超级电容器储能特性的效果。本发明的微型超级电容器的工作电压为2.5V,容量为0.2法拉,内阻仅为15欧姆,额定放电电流达到5毫安,体积仅为50mm3,具有良好的储能特性。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械技术领域,特别涉及一种基于有机电解液的微型超级电容器及其制造方法
背景技术
电子产品小型化、微型化、集成化是当今世界技术发展的大势所趋。微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems简称MEMS)具有移动性、自控性、集成化等特点,是近年来最重要的技术创新之一。当一个子系统可以集成在一块芯片上时,电源也必须完成小型化、微型化的革命。MEMS微能源系统是指基于MEMS技术,将一个或多个电能供给装置集成为一个特征尺寸为微米级、外形尺寸为厘米级的微系统,能实现长时间、高效能、多模式供电,特别适用于传统电源无法应用的某些特殊环境。性能优异的微型能源对MEMS系统的发展和完善就具有特殊的意义。目前国外该领域的专利主要集中在微型锂离子电池、微型锌镍电池等领域,如美国oak ridge国家实验室有关微型锂离子电池的专利(US.5567210)以及美国Bipolar technologies公司的有关微型锌镍电池的专利(US.6610440BS)。上述相关专利技术所涉及到的微能源器件中的制备方法都是通过各种方法制备尺度微小的微电极,受到电极面积有限等因素的限制,所制备微型能源器件内阻、容量等指标不能满足器件需求,严重制约了微型能源器件的应用。与微型电池相比,微型超级电容器要求具有更低的内阻以满足其瞬时大功率放电能力。而到目前为止,针对如何有效降低微型超级电容器的内阻,尚未提出有效的解决方案。发明内容本发明的目的是提供一种基于有机电解液的微型超级电容器及其制造方法,它是针对现有技术中微型超级电容器内阻偏高,无法满足器件储能要求而提出的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于有机电解液的微型超级电容器及其制造方法。
一种基于有机电解液的微型超级电容器,其特征在于,该微型超级电容器的结构是在一片聚酰亚胺支撑体上依次排列微电极、多孔聚合物隔离体、微电极;在微电极及隔离体中浸渍了电解液,在组合体面上再盖上相同的一片聚酰亚胺支撑体形成一个电容器单元,以多个电容器单元的聚酰亚胺支撑体相互连接后卷绕成为硬币状结构,在币状结构两侧为铝封盖,铝封盖同时作为电极端子起集流体的作用,铝封盖与微电极的大面积接触可有效降低微型超级电容器电阻。
所述微电极为在储能材料中掺加部分导电材料及粘合剂,并加入1-甲基吡咯烷酮形成流动性良好的电极浆料;其中储能材料为比表面积大于1500m2/g,碳质量含量高于98%的活性碳,活性碳材料粒度分布范围为2微米-10微米;导电材料为乙炔黑,粘合剂为聚偏氟乙烯PVDF;电极浆料成分为活性碳、乙炔黑、聚偏氟乙烯、1-甲基吡咯烷酮的质量百分比为18∶1∶1∶80。
所述隔离体为多孔聚合物,其成分为聚偏氟乙烯PVDF-六氟丙烯PHFP的共聚物,该多孔聚合物采用比利时SOLVAY公司生产的六氟丙烯含量为10wt%共聚物颗粒,溶解于丙酮中充分溶解,然后采用甩涂的方法涂制于微电极之间。所述电解液为四氟硼酸铵(C2H2)4NBF4-乙腈C2H3N有机电解液,即将充分干燥的四氟硼酸铵溶解于乙腈溶剂中,乙腈纯度大于99.90%(质量比),所配制电解液的四氟硼酸铵盐浓度为0.8-1.5mol/L。
一种基于有机电解液的微型超级电容器的制造方法,其特征在于,在聚酰亚胺支撑体表面制备微电极阵列,在微电极阵列上甩涂隔离体,在微电极及隔离体中浸渍电解液,然后在组合体面上再盖上相同的一片聚酰亚胺支撑体,将大面积聚酰亚胺支撑体微电极阵列分切成多个电容器单元,以多个电容器单元的聚酰亚胺支撑体相互连接后卷绕成为硬币状结构,币状结构两侧采用磁控溅射法和电镀法制备铝封盖以完成电容器封装;铝封盖作为电极端子起集流体的作用。
所述微电极阵列的制备是采用丝网印刷法将电极浆料涂覆在聚酰亚胺支撑体表面,形成距离相等的长条状微电极阵列。
所述微电极阵列分切成多个电容器单元是将长条状微电极等分,形成包括依次排列微电极、多孔聚合物隔离体、微电极;在微电极及隔离体中浸渍了电解液的电容器单元。
本发明的有益效果是本微型超级电容器采用包括依次排列微电极、多孔聚合物隔离体、微电极;在微电极及隔离体中浸渍了电解液的电容器单元,以多个电容器单元的聚酰亚胺支撑体相互连接后卷绕成为硬币状结构,币状结构两侧采用铝封盖封装的微型结构,铝封盖与微电极的大面积接触可有效降低微型超级电容器电阻,进而达到改善微型超级电容器储能特性的效果。本发明的微型超级电容器的工作电压为2.5V,容量为0.2法拉,内阻仅为15欧姆,额定放电电流达到5毫安,体积仅为50mm3,具有良好的储能特性。
附图说明
图1是微型超级电容器结构示意图。
图2是微型超级电容器制造工艺示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于有机电解液的微型超级电容器及其制造方法,它是针对现有技术中微型超级电容器内阻偏高,无法满足器件储能要求而提出的。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是微型超级电容器结构组成示意图。图1所示,该微型超级电容器的结构是在一片聚酰亚胺支撑体1上依次排列微电极2、多孔聚合物隔离体3、微电极2;在微电极2及隔离体3中浸渍电解液,在组合体面上再盖上相同的一片聚酰亚胺支撑体1形成一个电容器单元11,以多个电容器单元的聚酰亚胺支撑体相互连接后卷绕成为硬币状结构,在币状结构两侧为铝封盖4,铝封盖4同时作为电极端子起集流体的作用,铝封盖4与微电极的大面积接触可有效降低微型超级电容器电阻,进而有效地改善微电极乃至微型超级电容器的储能特性。
图2是微电极制造工艺示意图,如图2(a)所示,采用丝网印刷法在聚酰亚胺基体表面制备微电极阵列,所述微电极阵列的制备是采用丝网印刷法将电极浆料涂覆在聚酰亚胺支撑体1表面,形成距离相等的长条状电极7,多个长条状电极7在大面积聚酰亚胺支撑体上形成微电极的阵列6,长条状电极宽度500微米-3000微米,优选2500微米。电极间距500微米-1000微米,优选600微米。电极厚度200微米-2000微米,优选1000微米。与其他方法相比,丝网印刷方法能够在聚酰亚胺支撑体1制备图形清晰的细微图形。
电极浆料制备方法为在上述电极储能材料中掺加部分导电材料及粘合剂并加入1-甲基吡咯烷酮形成流动性良好的浆料。导电性材料为乙炔黑。粘合剂为聚偏氟乙烯。电极浆料成分为活性碳、乙炔黑、聚偏氟乙烯、1-甲基吡咯烷酮,其最佳质量百分比为18∶1∶1∶80。将上述组分混合均匀并进行球磨处理。粘合剂是保证浆料既具有良好流动性,由与聚酰亚胺支撑体1具有良好粘结强度的关键因素,其在浆料中的质量百分比不应低于0.5%,不应高于5%,优选1%。粘合剂含量过低,则电极结构强度较差,粘合剂含量过高则导致电极内阻升高。微电极阵列印制完成后需在80-150℃温度范围内,优选120℃,真空烘干1小时以彻底去除1-甲基吡咯烷酮溶剂。温度过低易导致1-甲基吡咯烷酮去除不彻底,会影响电容器性能。温度过高易导致聚酰亚胺基体蜷曲变形。微电极间多孔聚合物隔离体3的涂制过程为:将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物颗粒(如比利时SOLVAY公司产品,六氟丙烯含量为10%)溶解于丙酮中充分溶解,然后采用甩涂的方法涂制于微电极阵列之间。具体方法是将聚酰亚胺基体固定在甩胶机平台上,在基片上滴加适量上述共聚物丙酮溶液,将基片转速从静止均匀加速到一定较低转速,转速范围800-1200转/分钟,优选1000转/分钟,并维持10秒;然后均匀加速到较高转速,转速范围1500-2000转/分钟,优选1800转,维持25秒,然后均匀减速至静止。刷涂完成的基片在25℃室温环境中水平放置30分钟,以使共聚物自我整平并缓慢释放丙酮溶剂。然后将其放置在40℃真空烘箱中彻底烘干。上述工艺完成后条状电极7之间填充了具有多孔特征的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物隔离体3,如图2(b)所示。
微电极间多孔聚合物隔离体3甩涂完成后需进行有机电解液的浸渍,以确保微电极和隔离体的孔洞结构中充满了有机电解液。本发明所采用的电解液为四氟硼酸铵(C2H2)4NBF4-乙腈C2H3N电解液,制备方法为将四氟硼酸铵充分干燥后溶解于乙腈溶剂中,乙腈纯度应大于99.90%(质量比)。所配制电解液的四氟硼酸铵盐浓度为0.8-1.5mol/L,优选1.4mol/L。电解液配制过程在充满干燥气体的手套箱中进行,配制完成后电解液的水分含量应低于5ppm。电解液浸渍过程为将完成微电极印刷及隔离体制备的结构放置在电解液中充分浸渍,取出后甩干以除去多余电解液。
电解液浸渍完成后在微电极阵列上方再放置一层与基体完全相同的聚酰亚胺支撑体1,如图2(c)所示。将大面积聚酰亚胺支撑体上形成微电极阵列阵列6分切成多个电容器单元11,它是将长条状微电极7等分,形成包括按聚酰亚胺支撑体1、微电极2、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物隔离体3、微电极2排列的电容器单元11(如图2(d)所示)。在微电极2和隔离体3中浸渍有电解液,然后多个电容器单元11的聚酰亚胺支撑体1相互连接后卷绕成为硬币状结构(如图2(e)所示),此时微电极2位于硬币状结构的两面且外露。在硬币状结构两侧表面采用磁控溅射方法制备铝封盖4完成封装,如图2(e)。铝封盖4发挥封盖作用,实现微型超级电容器密封的同时还承担微电极外部端子的功能,充放电过程中电荷通过铝封盖4流入或流出微电极。磁控溅射铝封盖工艺可以实现微电极与电极端子之间的大面积接触,进而降低电容器电阻,改善电容器的大电流放电特性。磁控溅射工艺还可以确保微型超级电容器的有效密封,避免了超级电容器在工作过程中的实效现象。
铝封盖的磁控溅射工艺过程为,将硬币状结构一面向上固定在磁控溅射设备的样品架上,采用质量纯度为99.99%的铝作为靶材,首先抽真空至反应室气压为5×10-4Pa,然后充入高纯氩气至气压为0.2Pa时,开始溅射工艺,溅射过程中保持溅射功率为300-700W,优选500W,溅射时间大于120分钟,制备铝层厚度大于10微米。硬币状结构一面沉积完成后将其翻转,沉积另一面。厚度过低易导致微电极覆盖不完整,易导致电解液泄露。沉积完成后可以采用电镀或化学镀方法将铝层进一步加厚。
本发明可有效地降低电容器内阻,改善微型超级电容器的储能特性,本发明所描述的微型超级电容器在传感器网络节点电源、引信电源等领域具有十分广泛的应用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于有机电解液的微型超级电容器,其特征在于,该微型超级电容器的结构是在一片聚酰亚胺支撑体上依次排列微电极、多孔聚合物隔离体、微电极;在微电极及隔离体中浸渍了电解液,在组合体面上再盖上相同的一片聚酰亚胺支撑体形成一个电容器单元,以多个电容器单元的聚酰亚胺支撑体相互连接后卷绕成为硬币状结构,在币状结构两侧为铝封盖,铝封盖同时作为电极端子起集流体的作用,铝封盖与微电极的大面积接触可有效降低微型超级电容器电阻。
2.根据权利要求1所述基于有机电解液的微型超级电容器,其特征在于,所述微电极为在储能材料中掺加部分导电材料及粘合剂,并加入1-甲基吡咯烷酮形成流动性良好的电极浆料;其中储能材料为比表面积大于1500m2/g,碳质量含量高于98%的活性碳,活性碳材料粒度分布范围为2微米-10微米;导电材料为乙炔黑,粘合剂为聚偏氟乙烯PVDF;电极浆料成分为活性碳、乙炔黑、聚偏氟乙烯、1-甲基吡咯烷酮的质量百分比为18∶1∶1∶80。
3.根据权利要求1所述基于有机电解液的微型超级电容器,其特征在于,所述隔离体为多孔聚合物,其成分为聚偏氟乙烯PVDF-六氟丙烯PHFP的共聚物,该多孔聚合物采用比利时SOLVAY公司生产的六氟丙烯含量为10wt%共聚物颗粒,溶解于丙酮中充分溶解,然后采用甩涂的方法涂制于微电极之间。
4.根据权利要求1所述基于有机电解液的微型超级电容器,其特征在于,所述电解液为四氟硼酸铵(C2H2)4NBF4-乙腈C2H3N有机电解液,即将充分干燥的四氟硼酸铵溶解于乙腈溶剂中,乙腈纯度大于99.90%(质量比),所配制电解液的四氟硼酸铵盐浓度为0.8~1.5mol/L。
5.一种基于有机电解液的微型超级电容器的制造方法,其特征在于,在聚酰亚胺支撑体表面制备微电极阵列,在微电极阵列上甩涂隔离体,在微电极及隔离 体中浸渍电解液,然后在组合体面上再盖上相同的一片聚酰亚胺支撑体,将大面积聚酰亚胺支撑体微电极阵列分切成多个电容器单元,以多个电容器单元的聚酰亚胺支撑体相互连接后卷绕成为硬币状结构,币状结构两侧采用磁控溅射法和电镀法制备铝封盖以完成电容器封装;铝封盖作为电极端子起集流体的作用。
6.根据权利要求5所述基于有机电解液的微型超级电容器的制造方法,其特征在于,所述微电极阵列的制备是采用丝网印刷法将电极浆料涂覆在聚酰亚胺支撑体表面,形成距离相等的长条状微电极阵列。
7.根据权利要求5所述基于有机电解液的微型超级电容器的制造方法,其特征在于,所述微电极阵列分切成多个电容器单元是将长条状微电极等分,形成包括依次排列微电极、多孔聚合物隔离体、微电极;在微电极及隔离体中浸渍了电解液的电容器单元。
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