一种平面电极的制备方法及平面电极与流程

本发明实施例涉及微加工和电化学技术领域，尤其涉及一种平面电极的制备方法及平面电极。

背景技术：

微型电化学器件，如微型超级电容器，微型电化学传感器和微型离子电池等，常采用平面叉指结构，以增加电极的厚度，降低离子在电极之间的扩散距离。通常此类型器件的电极包括衬底层，集流层以及活性层：衬底层往往由绝缘材料如氧化硅或聚合物薄膜构成；集流层则往往采用具有良好导电性和化学惰性的贵金属材料，如金/铂等；活性材料目前最先进的是各种具有纳米结构的纳米材料。将活性材料和集流层沉积在衬底层并完成图形化以制备器件即所谓微型平面器件的成型工艺。目前在微加工领域常见的微器件成型方法包括旋涂/喷涂/激光直写/化学气相沉积/物理气相沉积等等。此类型加工方法一方面对于活性材料有着极高的要求，如旋涂/喷涂对于材料的粘性和均匀性有高要求，激光直写限定在石墨烯材料，化学气相沉积和物理气相沉积更是仅限于几种半导体工艺材料，另一方面其形成的活性材料层往往不够紧致，内部会形成相对蓬松的结构，而且活性材料层与导电集流层之间的接触不够紧密，使得此类加工方法会使得器件具有较大的接触电阻。

传统上会使用抽滤设备将液态的溶液抽滤在多孔滤膜衬底上，然后使用直接碳化或是揭下再转移的方式，使抽滤成的膜与导电层相结合。使用抽滤成膜往往限定在多孔的纤维衬底，转移工艺一方面会造成接触强度不够，另一方面由于抽滤成膜的形貌相似于多孔纤维衬底，具有高低起伏的特征，故而其与常规的平面导电衬底的接触面积减小，如何可以直接快速地一步成型，成为急需解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明实施例提供一种平面电极的制备方法及平面电极。

第一方面，本发明实施例提供一种平面电极的制备方法，包括：在多孔滤膜的表面沉积一层金属层；

利用喷雾式抽滤的方式，在敷有金属层的多孔滤膜上沉积一层活性材料，形成所述平面电极。

第二方面，本发明实施例提供一种平面电极，包括：包括利用上述所述平面电极的制备方法制得的电极。

本发明实施例提供的平面电极的制备方法及平面电极，利用在多孔滤膜的表面沉积一层金属层；并利用喷雾式抽滤的方式，在敷有金属层的多孔滤膜上沉积一层活性材料，形成所述平面电极。利用本发明实施例可无需移动抽滤后的膜与导电层相结合，可直接得到可导电衬底，使用起来更方便快捷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的平面电极的制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的在多孔导电衬底上直接成型柔性平面叉指器件的加工制作流程；

图3a为本发明实施例提供的沉积了导电金层的多孔衬底的截面图；

图3b为未沉积导电层的原始多孔衬底的截面图；

图3c为本发明实施例提供的沉积了导电金层的多孔衬底的放大截面图；

图3d为本发明实施例提供的沉积了导电金层的多孔衬底的立体截面图；

图4a为本发明实施例提供的平面电极的截面图；

图4b为本发明一实施例提供的平面电极的截面图；

图5所示本发明实施例提供的平面电极在弯曲的状态下，显而可见其未发生机械损伤的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的平面电极的制备方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括：

s101、在多孔滤膜的表面沉积一层金属层；

s102、利用喷雾式抽滤的方式，在敷有金属层的多孔滤膜上沉积一层活性材料，形成所述平面电极。

本发明实施例提供一种平面电极的制备方法，在孔径大于0.2微米的纤维多孔滤膜上，沉积一层纳米金属颗粒，形成一个导电结构。由于金属颗粒的尺寸分布在30～50nm，故而多孔滤膜的纳米孔不会被堵塞，进而使得该滤膜在具有优良导电性的同时，仍然可以用于抽滤工艺。接下来，可以根据欲沉积活性材料的亲水或疏水性，来决定是否对于滤膜做等离子体处理。

在已沉积的金属层的导电衬底上，实现电极活性材料的抽滤沉积。将沉积了导电层的滤膜安置于真空抽滤设备之内，同时，将不限种类的电极活性材料被均匀地分散在对应溶液之中，随后装入商用喷雾器之中。开启抽滤设备，用喷雾器将活性材料均匀喷涂在导电层的滤膜上，活性材料即可被抽滤在导电衬底上以获得平面电极。在此过程中，使用喷雾设备的目的是防止活性材料溶液在滤膜中的横向扩散，以避免电极短路。活性材料的厚度决定于溶液的浓度以及抽滤时间。

本发明实施例提供的平面电极的制备方法，利用在多孔滤膜的表面沉积一层金属层；并利用喷雾式抽滤的方式，在敷有金属层的多孔滤膜上沉积一层活性材料，形成所述平面电极。利用本发明实施例可无需移动抽滤后的膜与导电层相结合，可直接得到可导电衬底，使用起来更方便快捷。

可选地，所述在多孔滤膜的表面溅射一层金属层，具体为：

在纤维多孔滤膜上，使用溅射或蒸镀的方法沉积一层金属颗粒层，形成一个导电结构。

在上述实施例的基础上，采用溅射或蒸镀的方式将金属颗粒沉积在纤维多孔滤膜上，厚度在30～200纳米之间可选，进而形成一个导电结构。

可选地，所述在纤维多孔滤膜上，使用溅射或蒸镀的方法沉积一层金属颗粒层，形成一个导电结构，还包括：

将带有图案的金属掩模板固定紧密贴附在所述纤维多孔滤膜上，使用溅射或蒸镀的方法沉积一层金属颗粒层，形成带有掩模板图案的导电结构。

在上述实施例的基础上，在给纤维多孔滤膜上进行沉积金属层之前，还需要将在滤膜上先贴附一具有图案的金属掩模板，在固定好掩模板之后，在采用溅射或蒸镀的方法沉积一层金属颗粒层，从而形成带有掩模板图案的导电结构，采用有图案的掩模板，可以得到更块的响应速度和更短的离子扩散路径。、

可选地，所述金属掩模板的图案为叉指结构并镂空的图案。

在上述实施例的基础上，优选地，金属掩模板的图案和尺寸可以根据需要进行设定，在本发明实施例中优选地金属掩模板的图案为叉指结构并呈现镂空状态。

可选地，所述将带有图案的金属掩模板固定紧密贴附在所述纤维多孔滤膜上，具体为：

采用pi胶带将带有叉指结构并镂空的金属掩模板紧密贴附在所述纤维多孔滤膜上。

在上述实施例的基础上，在孔径大于0.2微米的纤维多孔滤膜上固定掩模板，可采用pi胶带或是其他胶带或是胶棒，只要可以紧密贴合就可以，在本发明实施例中不做具体限定。

可选地，所述利用喷雾式抽滤的方式，在敷有金属层的多孔滤膜上沉积一层活性材料，形成所述平面电极，具体为：

将活性材料溶液超声处理后，并置入雾化器中；

将带有掩模板的敷有金属层的多孔滤膜放置在真空抽滤装置之上，采用所述雾化器和所述真空抽滤装置对所述多孔滤膜进行所述活性材料溶液的喷涂；

将喷涂后的所述多孔滤膜移出并干燥，形成带有掩模板图案的平面电极。

在上述实施例的基础上，在已沉积的叉指状的导电衬底上，依靠未揭下来的掩模版，实现电极活性材料的抽滤沉积。将贴附由掩模板、沉积了导电层的滤膜安置于真空抽滤设备之内，同时，将不限种类的电极活性材料被均匀地分散在对应溶液之中，随后装入商用喷雾器之中。

开启抽滤设备，用喷雾器将活性材料均匀喷涂在掩模版镂空区域，活性材料即可被抽滤在导电衬底上并保持叉指型的结构。在此过程中，使用喷雾设备的目的是防止活性材料溶液在滤膜中的横向扩散，以避免电极短路。活性材料的厚度决定于溶液的浓度以及抽滤时间。

在完成活性材料的沉积后，将滤膜移出真空抽滤设备，在常温下自然干燥，随后去除粘连的胶带取下掩模板，即可获得平面电极。

可选地，所述活性材料溶液为金属烯与碳纳米管的混合溶液。

可选地，所述金属层为金、铂或铬。

在上述实施例的基础上，在滤膜上沉积的金属层可以是金、铂或铬等惰性金属。

本发明实施例提供的采用上述的平面电极的制备方法得到的平面电极具有几乎和掩模版镂空部分相同的形状结构，不会发生电极之间的短路。活性材料与导电集流层之间会形成共形且紧密的贴附，据测试，其接触电阻将小于1欧姆。活性材料本身将具有非常高的体密度，尤其是使用二维纳米材料作为活性材料时，可产生非常紧密且规律的纳米结构。

可选地，所述纤维多孔滤膜为nylon，pvdf，ptfe。

在上述实施例的基础上，所述纤维多孔滤膜可以为nylon，pvdf，ptfe，但不限于这几种，不同类型的滤膜对应于不同类型的电解液。

图2为本发明实施例提供的在多孔导电衬底上直接成型柔性平面叉指器件的加工制作流程，具体方法如下：

1)准备好孔径在0.2微米以上的多孔滤膜，使用pi胶带(或者其他胶带或胶棒)将滤膜紧密粘贴在硅片上(或其他平面材料)；

2)使用pi胶带(或者其他胶带或胶棒)将金属掩模版粘贴在滤膜表面；

3)连同硅片衬底，在滤膜上溅射100纳米厚度的金层；

4)使用氧等离子体处理五分钟，使得金层具有更好的亲水性；

5)将活性材料溶液(本实例中使用的是金属烯与碳纳米管的混合溶液)超声处理2小时，虽然置入商用雾化器中；

6)将粘贴了掩模版的滤膜放置在真空抽滤装置之上，开启抽滤装置，同时将活性材料喷涂在掩模版开口的区域，喷涂时间依据所需电极厚度而定；

7)关掉真空抽滤装置与雾化器，将滤膜移出并自然干燥，随后摘下掩模版，即可获得平面叉指结构电极。

图3a为本发明实施例提供的沉积了导电金层的多孔衬底的截面图；图3b为未沉积导电层的原始多孔衬底的截面图。通过图3a-3b的对比，可见金层均匀共形地沉积在了纤维之上，形成了联通的导电网络，同时未阻塞滤膜的空隙，图3c和图3d分别为沉积了导电层的放大图和立体图。

通过图4a和图4b可证实，活性材料层，导电集流层以及衬底层之间紧密贴附。从图4b可以看出，当使用二维材料作为活性材料时，获得的活性材料层具有十分紧密的结构。

本发明实施例还提供一种平面电极，利用上述的平面电极的制备方法制得，如图5所示，图5所示本发明实施例提供的平面电极在弯曲的状态下，显而可见其未发生机械损伤的示意图。由此制备的平面电极具有良好的柔性，具体体现在弯曲达到180度时，其电化学性能也不会出现明显衰减。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。