[发明专利]一种基于柔性衬底的固态超级电容器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于储能器件技术领域，具体涉及一种采用柔性材料作为衬底的固态超级电容器及其制作方法。

背景技术

在用于能量存储的电子器件中，固态超级电容因为同时拥有高能量密度和高功率密度而得到了广泛的关注。固态超级电容的基本思想是首先形成具有较大表面积的多孔结构，然后利用这种多孔结构作为制备模板形成金属/绝缘体/金属（MIM）型电容。基于这种思想，十多年来研究者先后采用阳极氧化铝[1]和硅深槽结构制备出了固态超级电容。在这些固态超级电容器中，衬底材料主要是玻璃、重掺杂的硅片或金属铝箔。虽然这种纳米电容器具有高功率和高能量密度的优点,但是其衬底不易弯折、重量较大等缺点限制了其广泛的应用。

与此同时,随着在导电高分子研究上不断取得突破,柔性电子学便应运而生。简单来说，柔性电子学是指将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延展性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术[2,3]。这一技术涉及到机械、材料、物理、化学、电子学等多个学科，其交叉学科的研究背景使得其备受关注，美国《科学》期刊将有机电子技术列为2000年世界十大科技进展之一。而柔性电子器件特别是柔性衬底以其独特的柔性/延展性，重量轻，易于携带，高效、低成本制造工艺等特点，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。如可折叠智能手机、柔性电子显示器、有机发光二极管OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子用表面粘贴(Skin Patches)等、屏幕显示、卫星等。

正是在结合纳米电容器和柔性衬底优点的前提下，提出了柔性衬底纳米电容器的发明。

参考文献

[1] P. Banerjee, I. Perez, L. Henn-Lecordier, S. B. Lee and G. W. Rubloff. Nanotubular metal-insulator-metal capacitor arrays for energy storage. Nature Nanotechnology 4,292-296(2009).

[2]J. J. Hill, K. Haller, and K. J. Ziegler. Direct Fabrication of High-Aspect Ratio Anodic Aluminum Oxide with Continuous Pores on Conductive Glass. Journal of The Electrochemical Society 158,E1-E7(2011).

[3]S. Cho, S. Kim, N.-H. Kim, U.-J. Lee, S.-H. Jung, E. Oh, and K.-H. Lee. In Situ Fabrication of Density-Controlled ZnO Nanorod Arrays on a flexible Substrate Using Inductively Coupled Plasma Etching and

发明内容

本发明的目的在于提出一种功率密度和能量密度高，而且制作工艺简单、柔韧性好、成本低的固态超级纳米电容器。

本发明提出的固态超级纳米电容器，采用阳极氧化铝作为制备模板，采用柔性材料作为衬底，并且在阳极氧化铝模板和柔性衬底之间添加了黏附剂。

具体地说，本发明固态超级纳米电容器的结构为：以柔性材料作为衬底，在该衬底上淀积有一层黏附剂，黏附剂层上为单通AAO (阳极氧化铝)模板，采用ALD的方法，在AAO模板的孔隙中依次淀积有底层金属（下电极）、中间绝缘介质层和顶层金属（上电极），再在顶层金属表面淀积有一层金属作为顶部集流体，从而形成MIM电容结构。

在以上所述的MIM结构里，所述柔性材料为聚合物，如聚四氟乙烯（Teflon)、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚醚砜（PES）或聚芳酯（PAR）等。所述黏附剂材料可以是Ti或Cr；所述底层金属电极材料可以是TiN、TaN或Ru；所述中间绝缘介质层材料可以是具有较高介电常数的Al₂O₃或HfO₂、Ta₂O₅或ZrO₂，或它们之间的混合材料；所述顶层金属电极材料可以是TiN、TaN或Ru,；所述顶部集流体材料可以是Al。

这种纳米电容器可以同时获得高功率密度和能量密度，而且制作工艺简单，易弯折，柔韧性好，成本低，封装体积小。