[发明专利]一种光还原法制备石墨烯基平面化微型超级电容器的方法

说明书

本发明提供一种光还原法制备石墨烯基平面化微型超级电容器的方法，属平面化微型超级电容器的制备技术领域。该方法为：(1)以氧化石墨烯和光催化剂为原料，利用多种薄膜电极加工方法将原料制备成薄膜电极；(2)在薄膜电极上覆盖上自制的掩模板，利用一定强度的光对氧化石墨烯进行还原和微电极图案化的加工；(3)通过蒸镀的方法在石墨烯电极表面镀上一层集流体；(4)取下掩模板，在电极表面涂上合适的电解质，从而得到高性能、平面化微型超级电容器。该技术具有工艺简单、便于控制、加工成本低、效率高、可大规模生产的优点，可广泛的应用于微机电系统、微型机器人、植入式医疗设备等微纳器件领域，为微纳电子设备的发展奠定了基础。

技术领域

本发明属于微纳器件制造领域，具体为一种光还原法制备石墨烯基平面化微型超级电容器的方法。

背景技术

小型化电子设备(如微机电系统、微型机器人、微型植入式医疗设备)的快速发展极大的刺激了对微型功率源的迫切需求。微型超级电容器由于具有较高的功率密度、能量密度、优异的循环性能，逐渐成为一类新兴的芯片储能器件。目前，通过研究电极材料、筛选匹配的电解质以及对薄膜电极的制备工艺进行优化，微型超级电容器的研究及发展已经取得了极大进步。然而，在提高微型超级电容器的电化学性能、精简微构型加工工艺的同时，对微型超级电容器进行大规模生产仍然难以实现。

平面微型超级电容器具有离子传输距离极短、易于与小型化的电子设备集成的优点。石墨烯由于具有高理论比表面积(2630m2g-1)，高理论电比容量(550F g-1)，高导电性，使其成为一种非常理想的平面型微型超级电容器的电极材料。石墨烯基平面微型超级电容器充分的利用了石墨烯与平面构型的优势，使整个器件更薄、体积更小。在大规模制备石墨烯基微型超级电容器的过程中，对氧化石墨烯进行恰当的还原和对微电极进行精准的加工是至关重要的。目前，应用于微型超级电容器的还原氧化石墨烯制备的方法主要为化学还原和热还原法。化学还原法需要使用有毒的化学试剂(如水合肼)，而热还原法的温度一般高于800℃，使得该方法与电子设备的制备过程不兼容。微电极的加工方法包括传统的光刻法、电化学沉积和等离子体刻蚀，这些方法制备工艺复杂，对设备要求高，耗时长，不可控，而且很难制备出形状复杂、尺寸分辨率高的微型超级电容，因此严重的阻碍了其走向实际应用。因此，寻找一种低成本、高效率、易于操作、精准可控微型超级电容器的宏量制备技术的发明对于石墨烯基微型超级电容器实际应用具有重要的战略意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光还原法制备石墨烯基平面化微型超级电容器的方法。该方法具有低成本、效率高、易于操作、可控性好等优点，因此可作为一种大规模制备微型超级电容器的理想方法。

一种光还原法制备石墨烯基平面化微型超级电容器的方法，该方法主要包括以下步骤：

(1)薄膜电极的制备：以氧化石墨烯和光催化剂为原料，在基底上利用多种薄膜电极的制备方法将原料制备成电极；

(2)光还原氧化石墨烯及图案化电极结构的刻画：在薄膜电极上覆盖上自制的掩模板，利用一定强度的光将暴露于光源下的氧化石墨烯还原为石墨烯；

(3)集流体的蒸镀：再通过蒸镀的方法在石墨烯电极的表面镀上一层集流体；

(4)集流体的蒸镀：取下掩模板，在电极表面涂上合适的电解质，封装从而得到高性能的平面微型超级电容器。

本发明中，为了制备高性能的微型超级电容器，所采用的原料为不同尺寸的氧化石墨烯，横向尺寸大小为1nm～500μm。包括大片氧化石墨烯(横向晶粒尺寸≥100μm)、普通氧化石墨烯(横向晶粒尺寸1～10μm)、纳米氧化石墨烯(横向晶粒尺寸100～200nm)、及石墨烯量子点(横向晶粒尺寸≤10nm)。