[发明专利]一种基于光刻胶的跨尺度的多孔炭材料制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学储能装置技术领域，特别是涉及一种基于光刻胶的跨尺度的多孔炭材料制备方法。 

背景技术

炭材料由于稳定性高、导电率高以及密度小等特性在电化学储能装置中具有广泛的应用。在双电层电容器、锂离子电容器以及其他电化学储能装置中，具有多孔结构的炭材料例如活性炭作为电极活性材料已经广泛的商业化应用。上述电化学储能装置性能与炭材料的纯度和结构有着非常密切的关系。一些利用自然界植物纤维等作为多孔碳材料的制备方法已经不能满足日益需求的高性能电化学储能装置的需要。因此，利用纯度较高的化工品例如酚醛树脂等作为前驱体来制备多孔炭材料将是电化学储能装置用电极活性材料的发展方向。 

活性炭是目前主流商品化双电层电容器产品的核心材料，双电层电容器是利用静电物理吸附原理实现电荷存储的装置，其储存能量的双电层厚度仅为0.5纳米以下。根据双电层电容器计算公式（公式1），其容量C与电极的表面积A成正比，而与双电层的厚度d成反比，其中ε₀和ε_r分别为真空介电常数和电解液介电常数。 

C=ϵ0ϵrAd]]>                           （公式1） 

目前商品化双电层电容器的活性炭比表面积高达2000 m²/g，假设其所有的比表面积在双电层电容器的充放电过程中100%充分利用，乙腈体系（含有1 M/l四乙基四氟硼酸铵）电解液相对介电常数为35，真空介电常数为8.85×10^-12F/m，双电层厚度为0.3 nm，则该活性炭作为双电层电容器的理论比容量为2065 F/g，该值远远大于目前所有市场化活性炭产品（200 F/g以下）。这是由于活性炭的比表面积的有效利用率很低，不足理论值的10%，主要有下述原因： 

（1）活性炭粉末在形成双电层电容器电极在堆积压实的过程中很多空隙被阻塞，电解液或者电解液中的离子并不能快速迁移，而在双电层电容器充电的过程中不能贡献容量。 

（2）活性炭材料中长度很长的孔隙使得电解液的浸润不充分或者离子的频率响应速度很慢，导致双电层电容器的快速充放电容量不可用。 

（3）活性炭尺寸过小的孔隙结构电解液中的离子不能“肩并肩”的快速迁移，例如两个的直径为0.3nm的离子很难在尺寸小于0.6 nm的孔隙中“肩并肩”的迁移，尤其在很长的孔隙中迁移。 

针对上述原因现有技术中也采取了一定的方法和措施来提高活性炭的比表面积。中国专利200510070852.9“一种具有高表面积和高填隙容量的碳电极阵列的制备方法” 公开了一种具有高表面积和高填隙容量的碳电极阵列的制备方法。在光刻胶中加入一定体积百分比的高聚物可膨胀微球并均匀混合,然后将其均匀涂覆在硅片、氮化硅、二氧化硅、石英玻璃或金属等衬底表面，经过前烘、曝光、显影等光刻工艺后，形成具有一定深宽比的图形化的厚膜光刻胶层，再进行光刻胶的热解碳化处理，在碳电极阵列中形成空洞，从而进一步增大了碳电极阵列的表面积和电解质容积，最后形成具有高表面积和填隙容积的碳电极阵列结构。虽然这种方法制备的碳电极表面积和填隙容积有所提高，但是这种结构的碳电极为高纵深比的直列结构，还不能提供理想的高效的电极材料。 

发明内容

定义： 

“电化学储能装置”是指锂离子电池、超级电容器、双电层电容器、锂离子电容器、电化学电容器、燃料电池、镍氢电池等装置。 

 “光刻胶”是指可用某种特定频率的光源进行光致聚合或者光致分解的一种溶胶或凝胶。 

“曝光”是指用特定频率的光源光刻胶上，使被光线照射或穿透的光刻胶聚合或者分解。 

“曝光角度”是指曝光光源入射角度与背曝光处光刻胶平面所夹的锐角。 

“掩模版”是指在薄膜、塑料或玻璃基体材料上制作各种功能图形并精确定位，以便用于光刻胶选择性曝光的一种结构。 

“显影”是指被曝光的光刻胶在显影液中通过部分溶解而显示出图形或者结构的一种工艺。