CN108092551B - 一种利用丝网印刷技术制备供能器件阵列的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用丝网印刷技术制备供能器件阵列的方法，属于供能器件技术领域。本发明所述方法主要是利用丝网印刷技术分别制备底电极、积极层和顶电极，并通过底电极、积极层以及顶电极之间连接方式的设计，制备得到对湿度响应的供能器件阵列；而且本发明所制备的供能器件阵列在湿度变化的刺激下，能够实现有效的能量输出并供给用电器工作。本发明开发了一种利用丝网印刷技术将新能源的产能器件集成在多种基底上的途径，该方法不仅保证了器件电学性质的均一性，同时使得大规模的集成更加的便捷，为未来实现流水式生产器件提供了广阔的前景。

Description

一种利用丝网印刷技术制备供能器件阵列的方法

技术领域

本发明涉及一种利用丝网印刷技术制备对湿度变化响应的新型供能器件阵列的方法，属于供能器件技术领域。

背景技术

随着当今便携化和小型化电子器件的发展，开发轻便、柔性并具有高能量输出的供能器件成为一种必然趋势，为此，研究学者们已经利用微纳加工技术将能量供给器件集成在柔性基底上，然而，该集成工艺涉及光刻和刻蚀的过程，这将大大的不利于实现大规模和廉价的器件阵列的集成。

印刷技术已经被应用在制作各种各样的电子器件领域，例如超级电容器、电池、传感器和晶体管，该技术是将构成器件的功能化材料配制成浆状物，再被其印刷在相应的基底上。丝网印刷技术是印刷技术的一种，由于它具有印刷平整和易操作的特点，它常常被用来印刷电极，但是目前利用丝网印刷制备整个能源器件几乎是个空白。

发明内容

为了实现供能器件集成的大规模化、低成本及环境友好性，本发明提供了一种利用丝网印刷技术制备供能器件阵列的方法，该方法主要是利用丝网印刷技术制备底电极、积极层和顶电极，并通过底电极、积极层以及顶电极之间连接方式的设计，制备得到对湿度响应的供能器件阵列；所述供能器件阵列在湿度变化的刺激下，能够实现有效的能量输出并供给用电器工作。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种利用丝网印刷技术制备供能器件阵列的方法，所述方法步骤如下：

步骤1.利用化学氧化剥离法制备氧化石墨烯溶液；

步骤2.利用加工有I字形图案的网板A将导电银浆印刷在基底上，并置于20℃～55℃条件下干燥，在基底上形成I字形底电极；

所述基底为纸张、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜、玻璃或布，优选基底为纸张；

网板A中所述I字形图案上加工有通孔，通孔的孔径为75μm～53μm，优选孔径为63μm；与通孔尺寸匹配的导电银浆的粘度为20Pa·s～30Pa·s，优选25Pa·s；优选的，对于具有串联关系的两个相邻I字形底电极，两个相邻I字形底电极相邻两端的距离大于网板B中O字形图案的半径，优选为一个I字形图案的长度；

步骤3.利用加工有O字形图案的网板B将氧化石墨烯溶液印刷在I字形底电极的一端，I字形底电极的另一端不需要进行氧化石墨溶液印刷，并置于20℃～55℃条件下干燥，在I字形底电极的一端形成O字形积极层；

网板B中O字形图案上加工有通孔，通孔的孔径为75μm～53μm，优选孔径为63μm；与通孔尺寸匹配的氧化石墨烯溶液浓度为12mg/mL～18mg/mL，优选浓度为15mg/mL；网板B中O字形图案的直径大于网板A中I字形图案的最大宽度，优选不大于网板A中I字形图案最大宽度的50％；

步骤4.利用加工有I字形图案的网板C将导电银浆印刷在两个I字形底电极之间的基底上，并置于20℃～55℃条件下干燥，在基底上形成I字形顶电极，且I字形顶电极的一端与O字形积极层相接触，另一端与I字形底电极相接触；

网板C中所述I字形图案上加工有通孔，通孔的孔径为75μm～53μm，优选孔径为63μm；与通孔尺寸匹配的导电银浆的粘度为20Pa·s～30Pa·s；顶电极的作用是连接积极层与底电极，所以顶电极的形状及尺寸与底电极没有必然的联系，只要实现与另外两者的连接即可，优选的，网板C中I字形图案的最大宽度小于等于网板A中I字形图案的最大宽度，其长度大于0，优选为网板A中一个I字形图案的长度。

I字形顶电极印刷后，一个I字形底电极、一个O字形积极层和一个I字形顶电极依次连接后形成一个功能器件；则n个I字形底电极、n个O字形积极层和n个I字形顶电极之间按照I字形底电极、O字形积极层、I字形顶电极、I字形底电极的顺序依次串联，即形成n个供能器件串联的供能器件阵列，n为大于1的正整数；

应用时，对所制备的供能器件阵列施加湿度变化的刺激源，所制备的供能器件阵列能够实现有效的能量输出并供给用电器工作。

网板A上可以加工有x排×y列个I字形图案，x和y均为正整数；对于一列x个I字形图案，相邻两个I字形图案相邻两端的距离大于网板B中O字形图案的半径；对于一排y个I字形图案，相邻两个I字形图案之间的距离大于网板B中O字形图案的直径；

相应地，网板B中加工有x排×y列个O字形图案，网板C中加工有x排×y列个I字形图案。

有益效果：

本发明所述积极层使用的材料是含有丰富含氧官能团的氧化石墨烯，它具有良好的亲水性，同时在水的刺激下，电离出的氢离子可以自由移动，相应的负离子是固定不动的，这就为正负离子的分开提供了条件；同时结合材料结构是层层堆叠的结构，当湿度源位于这个结构的上表面或者下表面时，使得这个结构不同深度电离出的离子数目是不同的，在这种离子数目梯度分布的驱使下，电离出的正离子从多的一端向少的一端发生定向移动，从而实现了对外的能量输出。本发明开发了一种利用丝网印刷技术将新能源的产能器件集成在多种基底上的途径，该方法不仅保证了器件电学性质的均一性，同时使得大规模的集成更加的便捷，为未来实现流水式生产器件提供了广阔的前景。

附图说明

图1为实施例1中加工有I字形图案网板的结构示意图。

图2为实施例1中加工有O字形图案网板的结构示意图。

图3为实施例1中I字形底电极制备过程示意图。

图4为实施例1中O字形积极层制备过程示意图。

图5为实施例1中I字形顶电极制备过程示意图。

图6为实施例1所述O字形积极层中氧化石墨烯的扫描电子显微镜图。

图7为实施例1所述O字形积极层中氧化石墨烯的X射线光电子能谱图。

图8为实施例1中制备的2个供能器件串联阵列、3个供能器件串联阵列、4个供能器件串联阵列的电压输出曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的阐述。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，本发明包括但不限于以下实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

以下实施例中所用测试设备如下：

扫描电子显微镜(SEM)：日本电子JSM-7001F；

元素能量色散仪(EDS)：美国伊达克斯Peaguas XM2；

X射线光电子能谱仪(XPS)：美国赛默飞ESCALAB 250；

能量输出测试：吉时利源表Keithley 2612B；

相对湿度测试表：香港SMART SENSOR AR847+。

实施例1

(1)将9g石墨粉和9g硝酸钠的混合物加入240ml的浓硫酸(质量分数98％)中，搅拌30min后，再缓慢加入27g高锰酸钾，继续搅拌30min，之后先升温到40℃并保温2h，再升温到50℃并保温1h，随后缓慢加入400mL去离子水并升温至90℃，在90℃下保温20min后，再加1000mL的水冷却静置，抽滤留下溶质，先用质量分数为50％的稀盐酸进行抽滤洗涤，再用质量分数为10％的稀盐酸进一步抽滤洗涤，最后装入透析袋中透析至中性，得到15mg/mL的氧化石墨烯溶液；

(2)利用加工有I字形图案的网板A将商业化的导电银浆(粘度为25Pa·s)印刷在纸上，并置于45℃烘箱中干燥，在纸上形成I字形底电极，如图3所示；

如图1所示，网板A中I字形图案的长度为8mm，最大宽度(即I字形图案一端的宽度)为2mm，具有串联关系的两个相邻I字图案(即同一列相邻两个I字形图案)之间的距离为8mm，同一行中相邻两个I字形图案的距离为5mm；网板A中I字形图案上加工有通孔，通孔的孔径为63μm；

(3)利用加工有O字形图案的网板B将步骤(1)制备的氧化石墨烯溶液印刷在I字形底电极的一端，I字形底电极的另一端不需要进行氧化石墨溶液印刷，并置于45℃烘箱中干燥，在I字形底电极的一端形成O字形积极层，如图4所示；

如图2所示，网板B中O字形图案的直径为3mm，具有串联关系的两个相邻O字形图案(即同一列相邻两个O字形图案)的中心间距为16mm，同一行中相邻两个O字形图案的中心间距为5mm；网板B中O字形图案上加工有通孔，通孔的孔径为63μm；

(4)再采用步骤(2)中所述的加工有I字形图案的网板A以及导电银浆，在两个I字形底电极之间的纸上进行印刷，并置于45℃烘箱中干燥，在纸上形成I字形顶电极，I字形顶电极的一端与O字形积极层相接触，另一端与I字形底电极相接触，如图5所示；

I字形顶电极印刷后，一个I字形底电极、一个O字形积极层和一个I字形顶电极依次连接形成一个功能器件；按照I字形底电极、O字形积极层、I字形顶电极、I字形底电极的顺序依次串联，分别形成2个供能器件串联的功能器件阵列、3个功能器件串联的功能器件阵列、4个供能器件串联的功能器件阵列；

(5)测试时，将功能器件阵列的首尾两个电极分别连接吉时利源表正负极；氮气通过装有去离子水的集气瓶后，分别施加在上述三个供能器件阵列的表面，上述三个供能器件阵列在上下表面湿度不同的驱使下，氧化石墨烯含氧官能团上的氢离子电离出来从湿气大的一极向湿度小的一极移动，从而实现了电能的输出，上述三个供能器件阵列输出的电压曲线图如图8所示；另外，相对湿度变化大小的不同影响其电能的输出，相对湿度变化范围是0～80％，相对湿度变化越大电能输出就越高，而本实施例中相对湿度为80％。

对本实施步骤(3)所制备的O字形积极层进行表征：根据图6中的SEM图可以看出，O字形积极层中氧化石墨烯为层层堆叠微观结构；从图7中的XPS谱图可知，氧化石墨烯由碳碳键、碳氧单键和碳氧双键构成；通过表1中EDS分析可知，所制备的O字形积极层中含有C元素和O元素，且C原子百分比为69％，O原子百分比为31％。通过上述对积极层中氧化石墨烯的表征，为本发明所制备的功能器件阵列工作原理提供了一定的理论依据。

根据图8的测试结果可知，2个供能器件串联的功能器件阵列、3个功能器件串联的功能器件阵列以及4个供能器件串联的功能器件阵列的输出电压分别是0.8V、1.2V和1.6V，与理论串联定理相符合。另外，本实施例所集成在纸上的供能器件阵不仅可以进行弯折，还具有较好的柔韧性。

表1

Claims (9)

1.一种利用丝网印刷技术制备供能器件阵列的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

步骤1.利用化学氧化剥离法制备氧化石墨烯溶液；

步骤2.利用加工有I字形图案的网板A将导电银浆印刷在基底上，并置于20℃～55℃条件下干燥，在基底上形成I字形底电极；

步骤3.利用加工有O字形图案的网板B将氧化石墨烯溶液印刷在I字形底电极的一端，I字形底电极的另一端不需要进行氧化石墨溶液印刷，并置于20℃～55℃条件下干燥，在I字形底电极的一端形成O字形积极层；

步骤4.利用加工有I字形图案的网板C将导电银浆印刷在两个I字形底电极之间的基底上，并置于20℃～55℃条件下干燥，在基底上形成I字形顶电极，且I字形顶电极的一端与O字形积极层相接触，另一端与I字形底电极相接触；

I字形顶电极印刷后，一个I字形底电极、一个O字形积极层和一个I字形顶电极依次连接形成一个功能器件；则n个I字形底电极、n个O字形积极层和n个I字形顶电极之间按照I字形底电极、O字形积极层、I字形顶电极、I字形底电极的顺序依次串联，即形成n个功能器件串联的供能器件阵列，n为大于1的正整数；

其中，网板A中I字形图案、网板B中O字形图案以及网板C中I字形图案上均加工有通孔；对于具有串联关系的两个相邻I字形底电极，两个相邻I字形底电极相邻两端的距离大于网板B中O字形图案的半径；网板B中O字形图案的直径大于网板A中I字形图案的最大宽度；网板C中I字形图案的长度大于0。

2.根据权利要求1所述的一种利用丝网印刷技术制备供能器件阵列的方法，其特征在于：所述基底为纸张、PET膜、玻璃或者布。

3.根据权利要求1所述的一种利用丝网印刷技术制备供能器件阵列的方法，其特征在于：网板A中I字形图案、网板B中O字形图案以及网板C中I字形图案上加工的通孔孔径分别独立为75μm～53μm。

4.根据权利要求3所述的一种利用丝网印刷技术制备供能器件阵列的方法，其特征在于：导电银浆的粘度为20Pa·s～30Pa·s。

5.根据权利要求3所述的一种利用丝网印刷技术制备供能器件阵列的方法，其特征在于：氧化石墨烯溶液浓度为12mg/mL～18mg/mL。

6.根据权利要求1所述的一种利用丝网印刷技术制备供能器件阵列的方法，其特征在于：对于具有串联关系的两个相邻I字形底电极，两个相邻I字形底电极相邻两端的距离为网板A中一个I字形图案的长度；网板C中I字形图案的长度为网板A中一个I字形图案中的长度。

7.根据权利要求1所述的一种利用丝网印刷技术制备供能器件阵列的方法，其特征在于：网板B中O字形图案的直径不大于网板A中I字形图案最大宽度的150％。

8.根据权利要求1所述的一种利用丝网印刷技术制备供能器件阵列的方法，其特征在于：网板C中I字形图案的最大宽度小于等于网板A中I字形图案的最大宽度。

9.根据权利要求1至8任一项所述的一种利用丝网印刷技术制备供能器件阵列的方法，其特征在于：网板A上加工有x排×y列个I字形图案，x和y均为正整数；对于一列x个I字形图案，相邻两个I字形图案相邻两端的距离大于网板B中O字形图案的半径；对于一排y个I字形图案，相邻两个I字形图案之间的距离大于网板B中O字形图案的直径；

相应地，网板B中加工有x排×y列个O字形图案，网板C中加工有x排×y列个I字形图案。