基于MEMS技術(shù)的超級電容器三維微電極陣列制備及表征方法研究.pdf

1、微型超級電容器是一種具有儲能密度高、放電功率大、循環(huán)壽命長、體積小、充電速度快、可靠性好、污染小等特點的新型儲能器件，是信息、電子、儀表、能源、交通和國防安全等領(lǐng)域重要的關(guān)鍵部件。論文針對如何解決微型超級電容器三維微電極加工及其表面功能薄膜制備關(guān)鍵技術(shù)難題，開展基于MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術(shù)的超級電容器三維微電極陣列結(jié)構(gòu)制備關(guān)鍵技術(shù)研究，具有重要的科學意義和實際應(yīng)用價值。
　　本

2、文針對微型超級電容器亟待解決的三維微電極加工及其表面功能薄膜制備技術(shù)難題，提出基于MEMS技術(shù)制備三維微電極陣列結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)表面采用電化學方法沉積電極活性物質(zhì)薄膜制備超級電容器三維微電極陣列的思路。分析了超級電容器電極性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，建立了三維微電極陣列電場分布模型；研究了基于硅基的SU-8膠和體硅三維微電極陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備方法，采用恒電流、恒電壓、脈沖等電化學沉積方法，在柱狀、條狀、梳齒、硅基井狀等三維微電極陣列結(jié)構(gòu)表面沉積氧化錳

3、、氧化釕、聚苯胺薄膜等作為電極活性功能薄膜，成功研制出三維微電極陣列。采用掃描電鏡、循環(huán)伏安、恒流充放電等多種表征方法對制備的電極進行了表征?；诰劢闺x子束刻蝕方法，研究了導(dǎo)電薄膜電極分離技術(shù)，成功實現(xiàn)了超級電容器正電極和負電極的有效分離，研究了導(dǎo)電聚合物膠體電解質(zhì)，突破了基于MEMS技術(shù)制備超級電容器的電極分離和封裝關(guān)鍵技術(shù)，在硅基上成功研制出微型超級電容器原理樣品。本文的研究主要工作：
　?、倬C述了超級電容器微型電極的研究現(xiàn)狀

4、與發(fā)展趨勢，分析了現(xiàn)有各種微型電極制備方法存在的不足，提出了基于MEMS技術(shù)的微型超級電容器三維微電極陣列制備的整體思路；
　　②分析了超級電容器電極形貌、電極間距與性能的關(guān)系，采用有限元方法對三維微電極陣列的電場分布進行了分析，建立了電場有限元模型，研究了電極形狀、電極尺寸、電極間距等因素對電場的影響，優(yōu)化了三維微電極陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)；
　　③基于MEMS技術(shù)，提出了基于硅基SU-8膠和體硅三維微電極陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工方法，使

5、用電化學方法在三維微電極陣列結(jié)構(gòu)表面沉積活性物質(zhì)薄膜制備電極的方法。研究了SU-8膠微結(jié)構(gòu)制備過程中的應(yīng)力問題，解決了SU-8膠微電極陣列結(jié)構(gòu)與基底結(jié)合力的關(guān)鍵問題；研究了體硅三維微電極陣列結(jié)構(gòu)制備方法，解決了刻蝕過程中的“草地”和“黑硅”問題；
　?、苎芯苛嗽谌S微電極陣列結(jié)構(gòu)表面沉積電極活性物質(zhì)薄膜的制備方法和三維微電極陣列表面形貌表征及電化學性能表征；采用恒電壓、恒電流方法沉積氧化錳薄膜，采用恒電壓和循環(huán)伏安方法合成聚苯胺薄

6、膜，以雙電極方波脈沖方法制備氧化釕薄膜。采用掃描電鏡、能譜儀和X射線衍射儀對三維微電極表面活性物質(zhì)形貌及成分進行了表征，使用電化學工作站對電極進行循環(huán)伏安特性、交流阻抗特性、恒流充放電特性測試，完成了對微電極的測試與分析；
　?、菅芯苛司劢闺x子束刻蝕分離電極技術(shù)，成功分離了微型超級電容器的正、負電極；研制了導(dǎo)電聚合物膠體電解質(zhì)等，解決了微型超級電容器電極分離、封裝難題，在硅基上成功研制出基于MEMS技術(shù)的三維微電極陣列結(jié)構(gòu)微型超級