基于MEMS微电容的电极材料的研究

【摘要】超级电容器，是一种新型电能储存元件，具有电容量大、漏电流小等优点，目前已被广泛应用于多个领域。但随着越来越多的微纳米尺寸的微小型器件得到应用，普通超级电容器由于尺寸大已无法为这些微小型器件提供能源，因此人们将MEMS技术与超级电容器相结合，研制出一种微纳米尺寸的新型超级电容器，它被称为MEMS超级电容器或者MEMS微电容。MEMS微电容具有存储能量大、循环寿命长、体积微型化等优点，可为微小型器件提供稳定可靠的能源。作为超级电容器的一个重要分支，MEMS微电容的性能主要取决于电极材料，目前，常用的电极材料主要有碳材料、金属氧化物和导电聚合物。其中，导电聚合物中的聚吡咯（PPy）由于具有良好的导电性、合成简单、环境稳定性好等成为人们的研究热点。但是，以PPy为电极材料的MEMS微电容普遍具有两个缺点：一是比容量较小，二是循环稳定性较差。为了解决这些问题，本论文将PPy与碳材料复合制备新型功能薄膜作为MEMS微电容的电极材料，并加以测试。本论文首先对MEMS微电容的双电层电容和法拉第赝电容的储能机理作了初步探讨，确定了MEMS微电容设计方案，选择碳材料中的碳纳米管（CNT）和石墨烯（GR）作为实验材料，在完全相同的镍基三维基础微结构表面制备三种电极材料：PPy、PPy/CNT、PPy/GR，利用ANSYS软件对三种不同电极材料的MEMS微电容进行了容值仿真，得到其容值均在20μF以上。接下来，利用MEMS加工技术和电化学沉积技术制备出上述三种MEMS微电容样品，并测得三种电极材料在三维基础微结构上的负载量分别为0.056mg/cm2、0.039mg/cm2、0.034mg/cm2。最后，本论文使用S4700型扫描电子显微镜对三种电极材料进行微观形貌表征，用μAUTOLABⅢ型电化学工作站对三种MEMS微电容样品进行包括循环伏安性能、交流阻抗性能、恒流充放电性能和循环性能在内的电化学性能测试。微观形貌表征结果表明，PPy/CNT、PPy/GR复合电极材料具有明显区别于PPy的微观形貌，这种微观形貌有助于提升电极材料的电容性能，增大了电极材料与三维基础微结构的结合力。电化学性能测试结果为，当放电电流是1mA时，三种MEMS微电容的比电容分别是7.0、8.0、8.3mF/cm2，容值分别是25、28、30μF，这与ANSYS的容值仿真结果相符，经过循环性能测试后，三者的比电容分别保持了原来的72.9%、85.0%、89.2%，这表明，与PPy相比，PPy/CNT、PPy/GR复合电极材料具有更高的比电容和电容量，循环性能更好，其中PPy/GR复合电极材料表现最好。因此，PPy/碳材料复合电极材料能有效解决PPy比容量较小、循环稳定性较差的问题，将PPy与碳材料复合制备电极材料并运用于MEMS微电容具有重要的研究意义和实用价值。
【作者】霍晓涛；
【导师】张斌珍；
【作者基本信息】中北大学，仪器仪表工程，2014，硕士
【关键词】MEMS；微电容；聚吡咯；碳纳米管；石墨烯；

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