[发明专利]三维纳米线状孔碳材料以及高电压微型超级电容器的制作工艺

说明书

本发明涉及一种三维纳米线状孔碳材料，其厚度在2‑4μm，其上存在有纳米线状大孔，孔直径为80‑120nm，所述的孔相互搭接形成网络结构，所述的纳米线状大孔的孔槽内有大小2‑5nm的介孔以及2nm以下的微孔，其中大孔由氧化锌纳米线还原蒸发产生，介孔与微孔在大孔管壁上由氧化锌纳米线活化产生。本发明有益效果是：通过廉价氧化锌纳米线进行活化，形成相互连接的三维孔洞结构，有利于电解液的浸润。大孔‑介孔‑微孔等多级孔道结构，增加碳材料比表面积。微型超级电容器面积容量高，循环稳定性高。使用高浓度双三氟甲烷磺酰亚胺锂电解液，可扩展水系微型超级电容器的电压窗口，提高器件能量密度，具有工艺简单、成本低等优点。

技术领域

本发明属于超级电容器与微纳器件加工交叉领域，具体涉及一种高电压三维纳米线状孔碳材料微型超级电容器的制作工艺。

背景技术

进入21世纪以来，电子器件的集成度越来越高，尺寸越来越小，微型超级电容器作为微型电子元器件的潜在供能方式，有利于进一步减少电子器件尺寸，帮助便携智能电子产品实现更多功能。而基于C-MEMS(Carbon Micro-Electro-Mechanical System)工艺可制作各类碳基微型器件，广泛应用于微型传感器、微型驱动器等领域。

目前基于C-MEMS工艺制作的微型超级电容器化学稳定性高，基于物理吸脱附过程存储电荷，循环稳定性好，电导率高，高倍率充放电性能明显优于金属氧化物。但受限于比表面积小等因素，导致其能量密度较低，使其在实际应用中受到限制，如何获得高能量密度的碳基微型超级电容器是国际上的研究难点。利用氧化锌制作活化碳是一种简单的提高碳材料比表面积的方法，而利用纳米氧化锌材料还可以同时活化产生大孔、介孔与微孔协同提高电极的电化学性能。此外，传统微型超级电容器的电极由于水分解，导致电压窗口在1.6V以下，采用新型的高浓度双三氟甲烷磺酰亚胺锂水溶液可抑制水分子活性，将微型超级电容器的电压窗口提高到2.5V,对碳基微型超级电容器的应用具有重要意义。

发明内容

本发明提出一种高电压三维纳米线状孔碳材料微型超级电容器的制作工艺，其制作过程简单，所得的高电压三维纳米线状孔碳材料微型超级电容器具有高能量密度，并保持了良好的循环稳定性和倍率性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：三维纳米线状孔碳材料微电极，其厚度在2-4μm，其上存在有纳米线状大孔，孔直径为80-120nm，所述的孔相互搭接形成网络结构，所述的纳米线状大孔的孔槽内有大小2-5nm的介孔以及2nm以下的微孔，其中大孔由氧化锌纳米线还原蒸发产生，介孔与微孔在大孔管壁上由氧化锌纳米线活化产生。

所述的三维纳米线状孔碳材料的高电压微型超级电容器的制作工艺，包括有以下步骤：

(1)采用超声搅拌方法将氧化锌纳米线均匀分散在光刻胶内；

(2)利用紫外光刻技术对所得的光刻胶/氧化锌纳米线进行紫外光刻、显影微加工，获得图案化微结构；

(3)对所得复合材料进行高温烧结，制得三维纳米线状孔碳材料微电极；

(4)使用氯化锂-聚乙烯醇凝胶状电解质、高浓度双三氟甲烷磺酰亚胺锂水溶液作为电解液，组装高电压微型超级电容器。

按上述方案，步骤1)所述的氧化锌纳米线直径为80-120nm，长度为5-10微米。

按上述方案，步骤2)在光刻胶内添加了质量分数为5％-20％的氧化锌纳米线。

按上述方案，所述的氧化锌纳米线是采用水热法制备，包括有以下步骤：

1)将0.2-0.6g氯化锌与20g碳酸钠加入到30-50ml去离子水中，混合搅拌；

2)将溶液加入到反应容器内，在100-120℃下进行水热反应8-12小时，冷却后，离心洗涤得到氧化锌纳米线。