CN110082407A - 一种柔性金电极及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性金电极及制备方法，该方法包括：将设计好的电极图形给纸衬底上打印石墨掩模，将带有石墨掩模的衬底置于硫酸镍溶液中，使得未被石墨覆盖的纸表面进行金属离子吸附，后将其置于硼氢化钠溶液中生成图形化的镍种子层，随后在商用无电镀镍溶液中获得致密且导电的镍电极图形，在商用无电镀金溶液中进一步获得柔性金电极。本发明相比传统工艺而言，不需特定的实验温度及专业设备，常温下便可制作；且可以与现有的微电子工艺实现衔接，可实现在纸衬底上得到金电极，具有成本低、环保度高、可降解性强、电化学稳定性好、粘合性好、介电常数低、热稳定性好以及耐高温等优点，并且可以大规模制造、性价比高。

Description

一种柔性金电极及制备方法

技术领域

本发明涉及图形化金电极的制备技术，尤其是一种可以在纸衬底上、可大规模一次性成型的柔性金电极及制备方法。

背景技术

近年来，出现了许多基于柔性衬底的器件，如柔性显示器、电子纺织品、人造皮肤、分布式传感器等。可穿戴电子设备的快速发展迫切需要具有良好的柔性和稳定性高的储能设备。通常将金属箔（如铜箔、铝箔和钛箔）和某些塑料（如聚对苯二甲酸乙二酯）用作制作柔性电极的基体。然而，金属衬底的大质量密度显著增加了器件的总重量且它们易于被氧化造成电导率下降，塑料衬底的活性材料和塑料基板之间的弱亲和力经常导致在循环引起的电极变形过程中活性材料的分离，这极大地限制了它们的耐久性。因此，需要开发新颖可靠的柔性电极。

将银沉积在聚酰亚胺上，如专利号201710946298 .9的一种柔性薄膜电路的制备方法，虽然可以做到在任意衬底上大面积、大规模制备，但其电化学稳定性不高。将金沉积在聚酰亚胺上，虽然其电化学稳定性较高，但P聚酰亚胺衬底成本高、环保性、可回收性以及可降解性差，这大大限制了在聚酰亚胺衬底上制备金属。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种柔性金电极及制备方法，可实现在诸如A4纸、滤纸、照相纸等纸衬底上制备金电极，具有电化学稳定性好、粘合性好、介电常数低、热稳定性好、耐高温、成本低、环保度高、可降解、重量轻、可回收性好且可弯曲度好等优点。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种柔性金电极的制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：用去离子水、乙醇及丙酮分别对衬底超声波清洗25～35 min，得到无尘化衬底；

步骤2：将步骤1所得的衬底置于激光打印机内，将设计好的电极图形打印石墨掩模；

步骤3：将步骤2所得的带有石墨掩模的衬底置于硫酸镍溶液中浸10~15min，使得未被石墨覆盖的衬底表面进行金属离子吸附；

步骤4：将步骤3所得的衬底置于硼氢化钠溶液中浸泡30~35min，表面离子吸附的部分与溶液发生反应，生成图形化的镍种子层；

步骤5：将步骤4所得的带有图形化的镍种子层的衬底置于商用无电镀镍溶液中浸泡20~30min，获得致密且导电的镍电极图形；

步骤6：将步骤5所得的带有镍电极图形的衬底置于商用无电镀金溶液中浸泡15~20min，制得所述柔性金电极；其中：

所述衬底为纸；

所述硫酸镍溶液的浓度为49.5～50.5 mM；

所述硼氢化钠溶液的浓度为0.04～0.06 M；

所述无电镀镍溶液的温度为85～95℃；

所述无电镀金溶液的温度为75～85℃。

一种上述方法制得的柔性金电极。

本发明相比传统工艺而言，不需特定的实验温度及专业设备；且可以与现有的微电子工艺实现衔接，环保度高、可降解度高并且可以大规模制造、性价比高。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明纸衬底在溶液中反应的流程图；

图3为本发明无电镀过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细描述。

参阅图1-2，本发明包括：

S1、用去离子水、乙醇及丙酮分别对纸超声波清洗25～35 min，得到纸衬底11；

S2、将S1所得的纸衬底11置于激光打印机内，将除了电极图形13之外的地方打印上石墨掩模12，石墨掩模可以起到阻挡后续的金属离子吸附的作用；

S3、将S2所得石墨掩模的纸衬底11置于49.5～50.5 mM硫酸镍溶液21中浸泡10~15min，使未被石墨覆盖的纸表面进行金属离子吸附,吸附后得到未被石墨覆盖的选择性离子吸附的电极图形14；

S4、将S3所得已经表面选择性离子吸附的纸衬底11置于0.04～0.06 M 硼氢化钠溶液22中浸泡30~35min，纸表面离子吸附的部分14与溶液发生反应，生成图形化的镍种子层15，该镍种子层具有较高的化学活性且与纸衬底具有较高的结合力；

S5、将S4所得带有图形化的镍种子层15的纸衬底11置于85～95℃的商用无电镀镍溶液23中20~30min，然后，用去离子水清洗，获得致密且导电的镍电极图形16；

S7、将S6所得具有致密且导电的镍电极图形16的纸衬底11置于75～85℃的商用无电镀金溶液24中浸泡15~20min，获得柔性金电极17。

实施例1

本发明柔性金电极的制备及用作湿度传感器，具体步骤如下：

S1、用去离子水、乙醇及丙酮分别对纸超声波清洗30min，得到纸衬底；

S2、将S1所得的纸衬底置于激光打印机内，将除了电极叉指图形之外的地方打印上石墨掩模，石墨掩模可以起到阻挡后续的金属离子吸附的作用；

S3、将S2所得石墨掩模的纸衬底置于50 mM硫酸镍溶液中浸泡10min，使未被石墨覆盖的纸表面进行金属离子吸附,吸附后得到未被石墨覆盖的选择性离子交换的纸衬底；

S4、将S3所得已经表面选择性离子吸附的纸衬底置于0.05 M 硼氢化钠溶液中浸泡30min，纸表面选择性离子吸附的部分与溶液发生反应，生成图形化的叉指镍种子层,该镍种子层具有较高的化学活性且与纸衬底具有较高的结合力；

S5、将S4所得带有图形化的叉指镍种子层的纸衬底置于90℃的商用无电镀镍溶液中浸泡25min，然后，用去离子水清洗，获得致密且导电的镍电极叉指图形；

S6、将S5所得具有致密且导电的镍电极叉指图形的纸衬底置于80℃的商用无电镀金溶液中浸泡20min，获得柔性叉指金电极。

S7、当S6所得的柔性叉指金电极吸水时，会改变金电极间的介电常数，故而纸基对空气湿度具有敏感性，利用这一原理可以将其作为湿度传感器。

实施例2

本发明柔性金电极的制备及用于柔性锂电池，具体步骤如下：

S1、用去离子水、乙醇及丙酮分别对纸超声波清洗30min，得到纸衬底；

S2、将S1所得的纸衬底置于激光打印机内，将除了电极图形之外的地方打印上石墨掩模，石墨掩模可以起到阻挡后续的金属离子吸附的作用；

S3、将S2所得石墨掩模的纸衬底置于50 mM硫酸镍溶液中浸泡12min，使未被石墨覆盖的纸表面进行金属离子吸附，吸附后得到未被石墨覆盖的选择性离子吸附的纸衬底；

S4、将S3所得已经表面选择性离子吸附的纸衬底置于0.05 M 硼氢化钠溶液中浸泡35min，纸表面选择性离子吸附的部分与溶液发生反应，生成图形化的镍种子层,该镍种子层具有较高的化学活性且与纸衬底具有较高的结合力；

S5、将S4所得带有图形化的镍种子层的纸衬底置于90℃的商用无电镀镍溶液中25min，然后，用去离子水清洗，获得致密且导电的镍电极图形；

S6、将S5所得具有致密且导电的镍电极图形的纸衬底置于80℃的商用无电镀金溶液中浸泡15min，获得柔性金电极。

S7、柔性纸基阳极及阴极是锂离子电池的关键部件。通常，通过将活性材料粉末与导电剂比如炭黑、聚合物粘合剂（如PTFE或PVDF）形成浆料，然后分别涂覆在铜箔和铝箔上来制造阳极和阴极。但活性材料可能在弯曲状态下从光滑的导电基板上脱离。因此，有必要开发机械强度较高的新电极来解决这一问题。S6所得基于纸基的柔性金电极具有良好的导电性、电化学稳定性，可以应用到柔性锂电池中。

本发明工作原理是这样的：

参阅图1，本发明的柔性金电极的制备方法，将纸用去离子水、乙醇、丙酮超声波清洗，得到纸衬底。将纸衬底置于激光打印机内，使除了图形化电极之外的部分打印上石墨掩模，将带有石墨掩模的样品置于硫酸镍溶液中，使得未被石墨覆盖的纸表面进行金属离子吸附，使镍离子吸附到纸表面，吸附后得到未被石墨覆盖的选择性离子吸附的薄膜；由于利用0.04～0.06 M 的硼氢化钠溶液作为还原剂使得表面析出形成图形化的镍种子层，硼氢化钠溶液浓度不宜过高，否则所生长出来的镍层较疏松，该镍种子层具有较高的化学活性且与纸衬底具有较高的结合力；将所得带有图形化的镍种子层的纸衬底置于85～95℃的商用无电镀镍溶液中20~25min，获得致密且导电的镍电极图形；置于75～85℃的商用无电镀金溶液中15~20min获得柔性金电极，无电镀过程示意图见附图3，所获得的镍电极图形在纸衬底表面，所获得的金电极在镍电极图形表面。工艺流程中，无需繁琐的步骤，流程简单易操作，且纸衬底的成本低、柔性高、环保度高、可回收性差，可大规模制备，而且本发明制备的柔性金电极电化学稳定性好、粘合性好、介电常数低、热稳定性好且耐高温，推广性好。

Claims (2)

1.一种柔性金电极的制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：用去离子水、乙醇及丙酮分别对衬底超声波清洗25～35 min，得到无尘化衬底；

步骤2：将步骤1所得的衬底置于激光打印机内，将设计好的电极图形打印石墨掩模；

步骤3：将步骤2所得的带有石墨掩模的衬底置于硫酸镍溶液中浸10~15min，使得未被石墨覆盖的衬底表面进行金属离子吸附；

步骤4：将步骤3所得的衬底置于硼氢化钠溶液中浸泡30~35min，表面离子吸附的部分与溶液发生反应，生成图形化的镍种子层；

步骤5：将步骤4所得的带有图形化的镍种子层的衬底置于商用无电镀镍溶液中浸泡20~30min，获得致密且导电的镍电极图形；

步骤6：将步骤5所得的带有镍电极图形的衬底置于商用无电镀金溶液中浸泡15~20min，制得所述柔性金电极；其中：

所述衬底为纸；

所述硫酸镍溶液的浓度为49.5～50.5 mM；

所述硼氢化钠溶液的浓度为0.04～0.06 M；

所述无电镀镍溶液的温度为85～95℃；

所述无电镀金溶液的温度为75～85℃。

2.一种权利要求1所述方法制得的柔性金电极。