【摘要】：为了将器件有效地集成并更高效地输出能量，微型超级电容器应运而生，并引起了许多人的注意。其中微型超级电容器由于其较高的比表面积和较短的离子传输通道，有望成为下一代的微型能量存储器件。碳材料由于其较高的比表面积和良好的导电性，常被用于超级电容器的制作。在碳基微型超级电容器的制作中，常用的有喷墨打印、气相沉积和电镀等工艺。这些工艺存在着制作成本高、制作流程复杂、不能方便有效地对所制作的碳基微电极进行修饰改性等问题。与之相比，光刻工艺由于其便于得到精细的电极构型，且与当今的微加工技术可完全兼容，因而被广泛使用。此外，光刻中用到的光刻胶还能直接碳化成多孔的碳材料，作为微型超级电容器的电极材料，从而可简化微型超级电容器的制作过程，降低制作成本。


本文通过对SU-8 1060光刻胶曝光后在混入了活性物质(多壁碳纳米管、酸化多壁碳纳米管和还原氧化石墨烯等)的丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)中显影，得到了表面负载了活性物质的光刻胶图案。随后在900oC氮气气氛下对光刻胶进行热解碳化，得到了表面修饰后的碳基微电极，并与1 M PVA/H_2SO_4电解液一同组装成全固态微型超级电容器。


实验的主要结果如下:


1.向PGMEA中分别加入多壁碳纳米管、硝酸酸化多壁碳纳米管和还原氧化石墨烯，经超声后均得到了分散良好的溶液，且24小时后亦分散良好。随后将曝光后的光刻胶在这些溶液中显影，均能得到表面被活性物质修饰的图案化光刻胶。经热解碳化，可制得表面修饰的碳基微电极并组装了高性能微型超级电容器。这种工艺极大的缩短了器件的制作周期，降低了制作成本。


2.通过系统的材料表征，发现热解碳具有无定形多孔结构，孔径大小不一。利用混合显影液对SU-8负胶进行显影，能够有效地将活性物质负载于微电极表面。多壁碳纳米管修饰后的微电极表面的多壁碳纳米管形成了一种类似网状的结构，且部分多壁碳纳米管嵌入到热解碳内部。还原氧化石墨烯修饰的热解碳微电极表面的还原氧化石墨烯独立地分散在热解碳电极表面，部分还原氧化石墨烯嵌入到热解碳电极材料之中。


根据电化学测试结果，可发现多壁碳纳米管修饰的热解碳微电极微型超级电容器，面积比电容为4.8 mF·cm~(-2)(10 mV·s~(-1))，而未经活性物质修饰的热解碳微电极微型超级电容器，面积比电容为3.52mF·cm~(-2)(10 mV·s~(-1))。未经修饰前，热解碳微型超级电容器的最大能量密度为2.08 mW·cm~(-3)(功率密度0.094 W·cm~(-3))，最大功率密度为1.41 W·cm~(-3)(能量密度为0.62 mWh·cm~(-3));经多壁碳纳米管修饰后，微型超级电容器的最大能量密度为2.85 mWh·cm~(-3)(功率密度为0.123 W·cm~(-3))，最大功率密度为1.98 W·cm~(-3)(能量密度0.88 mWh·cm~(-3))。


3.碳基微型超级电容器的这种性能上的提高主要归因于经多壁碳纳米管修饰后，微电极的比表面积提高，能够在充电时吸附更多的离子，提高双电层电容，使得面积比容量和能量密度均得到提高。同时，微电极在被高电导多壁碳纳米管修饰后，导电性也得到了提高，有利于载流子的快速传输，从而提高其功率密度。