[发明专利]非对称三维叉梳微柱阵列电极结构超级电容器制备方法

说明书

本发明公开了属于微型超级电容器领域的一种非对称三维叉梳微柱阵列电极结构超级电容器制备方法，所述超级电容器采用ICP刻蚀与激光雕刻等微纳加工工艺，设计制备出叉梳微柱阵列电极结构，在叉梳微柱阵列电极结构表面溅射一层金作为集流体，继而分别在正极与负极微结构表面沉积赝电容与双电层电容材料薄膜，制备出非对称式微型MEMS超级电容器。通过叉梳式微柱阵列电极结构，有效提升了电极比表面积，同时非对称超级电容器体系可综合双电层电容和赝电容储能机制，可拓宽电化学稳定窗口，提升器件储能密度，可应用于物联网节点电源、个人电子产品等领域。

技术领域

本发明属于微型超级电容器领域，特别涉及一种非对称三维叉梳微柱阵列电极结构超级电容器制备方法。

背景技术

随着MEMS技术的不断发展，微系统的体积不断降低，智能化程度不断提高。然而，器件的微型化对电源系统提出了极大的挑战。微能源技术作为MEMS系统的关键技术之一，近年来受到了各国政府的高度重视。目前，研究人员采用开展光伏、振动、温差等多源复合的微型能量收集系统以获取更高的能量密度，然而随着系统体积的微型化，薄膜锂电池、微型镍锌电池输出功率低、循环寿命短的不足逐渐凸显出来，难以实现微系统高功率输出的工作需求。

作为微储能技术的重要组成部分，微型超级电容器可以弥补微电池的不足，得到了各国学者的广泛关注。微型超级电容器具有体积小、储能密度高、功率密度高、循环寿命长等多种优势，在微小型电子器件、植入式传感器、智能微尘、无线传感网络、微小型飞行器等多个领域具有极强的应用前景。

目前而言，微型超级电容器主要集中于进一步提升其储能密度与功率密度，往往从材料与结构方面开展研究。在材料上，通过不同电极材料的复合改性，制备出具备三维结构的比表面积更高、电极活性更强的复合材料，在结构上通过制备高深宽比的三维结构电极，在增加比表面积的同时，利用特殊的微纳结构与微纳效应，改善电极材料的综合性能。在申请号为2016112187543，一种非对称超级电容器的制备方法中，以氧化亚铜为牺牲模板，通过常温搅拌，得到氢氧化钴，再通过水热法对氢氧化钴硫化得到空心硫化钴粉末，这空心结构能缩短离子的扩散距离，提高了活性物质的利用率，从而提高了材料的比电容，种以硫化钴粉末为正极，多孔碳材料为负极，组装制备得到了不对称的超级电容器；但是，仍然受限于复杂的结构加工工艺以及电极薄膜制备工艺，不能满足当前MEMS技术发展对微系统的体积、电容器的能量密度和功率密度的要求；目前的超级电容器仍然以梳齿电极为主，多为在平面结构内加工图形化的电极薄膜，其电极厚度依然较低，仍未实现真正的三维结构电极。此外，薄膜制备工艺中，电极材料皲裂、脱落的问题，仍然是亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种非对称三维叉梳微柱阵列电极结构超级电容器制备方法；所述超级电容器采用ICP刻蚀与激光雕刻等微纳加工工艺，设计制备出叉梳式微柱阵列电极结构，在微结构表面溅射一层金作为集流体，继而分别在正极与负极微结构表面沉积赝电容与双电层电容材料薄膜，制备出非对称式微型MEMS超级电容器；其特征在于，所述三维叉梳式微柱阵列电极结构的制备工艺步骤如下：

（a）SOI备片：选取厚度为80μm、2μm和400μm的SOI片，使用UV灯、显微镜对SOI片进行镜检，清洗；

（b）旋涂光刻胶：光刻胶厚度5μm±0.5μm；

（c）光刻：光刻出微柱阵列形状，微柱直径70μm±0.5μm；

（d）ICP刻蚀：刻蚀深度80μm±0.5μm，刻蚀出微柱阵列，去除光刻胶；

（e）磁控溅射Au：厚度80nm±2nm；

（f）激光雕刻，雕刻深度5μm±1μm，刻蚀出叉梳式结构，清洗。

所述正极材料为赝电容活性材料，包括氧化锰、氧化钌、氧化镍和聚吡咯。