基于MEMS微電容的電極材料的研究.pdf

1、超級電容器,是一種新型電能儲存元件,具有電容量大、漏電流小等優(yōu)點(diǎn),目前已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。但隨著越來越多的微納米尺寸的微小型器件得到應(yīng)用,普通超級電容器由于尺寸大已無法為這些微小型器件提供能源,因此人們將MEMS技術(shù)與超級電容器相結(jié)合,研制出一種微納米尺寸的新型超級電容器,它被稱為MEMS超級電容器或者M(jìn)EMS微電容。MEMS微電容具有存儲能量大、循環(huán)壽命長、體積微型化等優(yōu)點(diǎn),可為微小型器件提供穩(wěn)定可靠的能源。作為超級電容器的一個(gè)重

2、要分支,MEMS微電容的性能主要取決于電極材料,目前,常用的電極材料主要有碳材料、金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物。其中,導(dǎo)電聚合物中的聚吡咯(PPy)由于具有良好的導(dǎo)電性、合成簡單、環(huán)境穩(wěn)定性好等成為人們的研究熱點(diǎn)。但是,以PPy為電極材料的MEMS微電容普遍具有兩個(gè)缺點(diǎn):一是比容量較小,二是循環(huán)穩(wěn)定性較差。為了解決這些問題,本論文將PPy與碳材料復(fù)合制備新型功能薄膜作為MEMS微電容的電極材料,并加以測試。
　　本論文首先對MEMS微電

3、容的雙電層電容和法拉第贗電容的儲能機(jī)理作了初步探討,確定了MEMS微電容設(shè)計(jì)方案,選擇碳材料中的碳納米管(CNT)和石墨烯(GR)作為實(shí)驗(yàn)材料,在完全相同的鎳基三維基礎(chǔ)微結(jié)構(gòu)表面制備三種電極材料:PPy、PPy/CNT、PPy/GR,利用ANSYS軟件對三種不同電極材料的MEMS微電容進(jìn)行了容值仿真,得到其容值均在20μF以上。接下來,利用MEMS加工技術(shù)和電化學(xué)沉積技術(shù)制備出上述三種MEMS微電容樣品,并測得三種電極材料在三維基礎(chǔ)微結(jié)

4、構(gòu)上的負(fù)載量分別為0.056mg/cm2、0.039mg/cm2、0.034mg/cm2。
　　最后,本論文使用S4700型掃描電子顯微鏡對三種電極材料進(jìn)行微觀形貌表征,用μAUTOLABⅢ型電化學(xué)工作站對三種MEMS微電容樣品進(jìn)行包括循環(huán)伏安性能、交流阻抗性能、恒流充放電性能和循環(huán)性能在內(nèi)的電化學(xué)性能測試。微觀形貌表征結(jié)果表明,PPy/CNT、PPy/GR復(fù)合電極材料具有明顯區(qū)別于PPy的微觀形貌,這種微觀形貌有助于提升電極材料

5、的電容性能,增大了電極材料與三維基礎(chǔ)微結(jié)構(gòu)的結(jié)合力。電化學(xué)性能測試結(jié)果為,當(dāng)放電電流是1mA時(shí),三種MEMS微電容的比電容分別是7.0、8.0、8.3mF/cm2,容值分別是25、28、30μF,這與ANSYS的容值仿真結(jié)果相符,經(jīng)過循環(huán)性能測試后,三者的比電容分別保持了原來的72.9％、85.0％、89.2％,這表明,與PPy相比,PPy/CNT、PPy/GR復(fù)合電極材料具有更高的比電容和電容量,循環(huán)性能更好,其中PPy/GR復(fù)合電極