[发明专利]一种金属氧化物与碳纳米管复合的微梳齿结构储能电极

说明书

本发明公开了属于微储能器件领域的一种金属氧化物与碳纳米管复合的微梳齿结构储能电极。该储能电极为在玻璃基底上溅射集流体层，并刻蚀出梳齿电极结构，涂覆SU‑8胶形成梳齿微流道，在梳齿结构电极表面制备金属氧化物及金属氧化物与碳纳米管复合电极功能薄膜；制备该电极是首先通过刻蚀得到微梳齿结构；通过阴极共电沉积，在微梳齿电极表面沉积金属氧化物与碳纳米管复合功能薄膜，该电极具有独特的微观结构，碳纳米管形成了疏松多孔的空间网络结构，金属氧化物颗粒均匀的分布在碳纳米管空间网络结构的表面，显著提升电极的储能性能。比容量高达208.5mF/cm²，有效提升电容器能量密度、功率密度，可用于超级电容器电极。

技术领域

本发明属于微储能器件领域，特别涉及一种金属氧化物与碳纳米管复合的微 梳齿结构储能电极。

技术背景

电极比表面积是影响超级电容器等微能源器件的关键因素之一，受到研究者 的广泛关注。提高储能电极的比表面积主要有两大技术途径，其一是电极活性材 料通过形成疏松多孔的空间网络结构，使可发生电化学反应的界面面积显著增 大，其二是电极表面通过刻蚀等微纳加工工艺形成梳齿等形状的面内结构，增大 电极的比表面积。因此，将这两项技术途径巧妙结合，在电极的微梳齿结构表面 通过电沉积工艺制备具有疏松多孔结构的金属氧化物与碳纳米管复合功能薄膜， 将有效提升储能电极的比表面积和容量密度，促进超级电容器等微储能器件的更 广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属氧化物与碳纳米管复合的微梳齿结构储能电 极；其特征在于，在玻璃基底上溅射Ti或Au集流体层，并刻蚀出梳齿电极结构， 在梳齿电极的梳齿之间和梳齿电极结构以外的玻璃基底上，涂覆SU-8胶形成梳 齿微流道，在梳齿结构电极表面制备金属氧化物及金属氧化物与碳纳米管复合电 极功能薄膜；通过梳齿微流道的支撑作用，金属氧化物与碳纳米管复合电极功能 薄膜能在梳齿电极上的大量沉积，附着牢固，不会因沉积过程中的剧烈搅拌而大 量脱落；同时因碳纳米管的多孔结构使氧化物材料均匀沉积，改善微梳齿结构储 能电极的储能性能；

所述SU-8胶作为微梳齿结构储能电极之间的隔离体，防止其短路，同时SU-8 胶所形成的微流道作为金属氧化物与碳纳米管复合电极功能薄膜沉积的沟道，为 金属氧化物与碳纳米管复合电极功能薄膜提供支撑，在防止短路的前提下得到更 高厚度的金属氧化物与碳纳米管复合电极功能薄膜，提升器件的比容量及能量密 度；并且，该结构最大程度地缩短了电解液中离子扩散距离，在有限的封装面积 中，最大幅度地提升了有效的电极面积。

所述金属氧化物包括氧化钌、氧化锰、氧化镍或氧化钴；优选氧化钌。

一种金属氧化物与碳纳米管复合的微梳齿结构储能电极的制备方法，其特征 在于，具体工艺步骤包括：

(a)在玻璃基底上溅射40nm-120nm的Ti或Au集流体层；

(b)通过图形化光刻的方法，刻蚀出梳齿电极结构；

(c)在梳齿电极的梳齿之间和梳齿电极结构以外的玻璃基底上旋涂SU-8胶，曝 光显影，形成SU-8胶梳齿微流道；

(d)阴极电沉积功能薄膜，通过在沉积液中共沉积金属氧化物与碳纳米管，在 梳齿结构电极表面制备金属氧化物与碳纳米管复合功能薄膜，提升电极的储能特 性；具体的金属氧化物与碳纳米管复合功能薄膜制备工艺如下：

采用多壁碳纳米管(MCNT)和氧化钌进行复合；实验中取碳纳米管1g，RuCl₃0.05g，NaNO₃ 0.85g与50mL去离子水配制成共沉积溶液，超声震荡30分钟， 使得Ru³⁺被碳纳米管所充分吸附，基于超声处理后的共沉积溶液，采用双电极阴 极沉积工艺，设定沉积电流密度为500mA/cm²，沉积时间为2000秒；