今后,產綜研將通過增加CNT的膜厚,進一步減小芯片尺寸,同時將目前約為90%的成品率提高到99%以上,并實現實用化。

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日本產業技術綜合研究所(以下簡稱“產綜研”)開發出了使用碳納米管(CNT)作為電極的“CNT集成化微型電容器(IEDC)”。IEDC是利用類似IC的工藝在硅晶圓上制造的超薄雙電層電容器(EDLC)。

IEDC性能上的特點是能量密度、輸出功率密度及充放電速度均比現有的鋁(Al)電解電容器高,能量密度約為后者的1000倍(圖1)。與通過小型化不斷擴大市場份額的多層陶瓷電容器(MLCC)相比,IEDC也薄很多。

采用超薄梳狀電極

這些高性能源于(1)元件結構采用的全新設計的EDLC“微型EDLC”,(2)基于光刻技術的微細、高精度、高密度加工技術,(3)高純度碳納米管(CNT)的高導電性和較大的比表面積等。

微型EDLC將電容器的兩個電極做成薄膜并采用梳狀,使電極之間相互咬合(圖1(b))。單個芯片的尺寸不到1mm見方,CNT層的厚度為1~2μm。工作電壓約為1V,靜電容量約為30μF。微型EDLC的研究從2010年左右就開始了,但此次是首次高密度集成到硅晶圓上。

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圖1:充放電時間比通常的雙電層電容器短很多

將4并4串共16個IEDC組成的單元,與工作電壓、靜電容量相同的鋁電解電容器進行比較(a),體積只有鋁電解電容器的約1/838。1個IEDC的結構和尺寸(b)。與鋁電解電容器、各種雙電層電容器(EDLC)及鋰離子二次電池進行比較(c)。充放電時間與鋁電解電容器相同,在EDLC中是非常短的。

制造高純度CNT采用的是產綜研開發的“超生長(SG)法”,純度為99.98%。SG法已達到量產水平。日本瑞翁公司(Zeon)將于2015年下半年開始量產。

IEDC的生產方面,采用的是可批量生產的光刻技術(圖2)。將CNT分散到水性溶劑中,制成CNT膏,然后用刀片將其涂在繪好圖案的金集電體上。然后,通過光刻和蝕刻,將CNT層加工成與金集電體相同的形狀。此次利用這樣的工藝,在4英寸(約100mm)硅晶圓上制造了4700個IEDC。

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圖2:利用光刻技術制成CNT層

IEDC制造工藝的概要:(1)將U形金集電體組合成梳狀,然后利用對電解質稀硫酸有很強防水性的環氧樹脂(SU8)制作電極隔板。(2)用刀片在其上涂抹CNT膏,(3)利用光刻和蝕刻技術形成CNT層。此次采用了稀硫酸作為電解質。

[責任編輯:中國電池網]

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