1.本发明属于柔性电子技术领域，具体涉及一种柔性三维电极的制备方法。
背景技术：2.随着柔性电子技术的发展，柔性电子器件在可穿戴电子设备、便携式电子器件及实时监控的医疗设备等领域表现出广泛的应用潜力。柔性电子器件是指将元器件集成于柔性基底上的电子技术，其与传统电子技术不同，此类器件具有柔韧性强、延展性好等特点。为了提高柔性器件的集成性，许多电化学柔性电子需要比表面积大的电极以提升器件性能。三维电极能够提升电极的表面积同时保持较小的器件体积，因其具有众多优点而被广泛地应用于电化学能源转化与存储领域，如电极反应器中的污水处理，及在储能领域中的超级电容器、传感器等。目前为了提升电极的比表面积，常用的方法是利用介孔结构制备电极基底，常用的材料有碳纳米颗粒、zno纳米颗粒及粗糖等。然而，由于这些方法在制备过程中微粒的运动不易受到控制，从而影响电极的形貌，不利于器件性能的进一步提升。
技术实现要素：3.本发明的目的就是提供一种柔性三维电极的制备方法。
4.本发明方法具体如下：
5.步骤(1)在加工容器中加入柔性聚合物溶液以及对应的固化剂，静置至完全固化，得到柔性基底。
6.步骤(2)将图形化模具置于柔性基底表面，图形化模具内加入柔性聚合物溶液和对应的固化剂，以及磁性颗粒，放置到磁场环境静置2～6小时，固化后形成平面为设计图形的三维结构层，所述的三维结构层具有磁控生长的微柱形貌。
7.进一步，所述的磁性颗粒是粒径为50nm～10μm的铁粉或fe2o3颗粒，与柔性聚合物溶液的质量比为1:1～20:1。
8.进一步，步骤(1)和(2)采用相同的柔性聚合物溶液，为聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。
9.步骤(3)将加工容器以及图形化模具整体从磁场环境中取出，静置至完全固化，得到柔性聚合物结构。
10.步骤(4)利用磁共溅射的方法，在具有三维结构层的柔性聚合物结构的一面沉积导电金属材料，形成金属导电层。进一步，所述的导电金属材料为金、银或铜。
11.步骤(5)取下图形化模具，金属导电层只保留覆盖三维结构层的部分，得到柔性三维电极。
12.本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
13.发明方法基于同质聚合物基底，在聚合物溶液中添加尺寸合适的磁性颗粒，并利用图形化模板，通过控制外加磁场，固化获得形貌可控的三维电极结构，利用金属沉积的方法，在结构表面加工导电层，获得三维结构电极。本方法能够实现基底和电极结构的一体化
成型，电极三维结构形貌可控，加工方法能适用于多种同类材料，对高性能柔性电子器件的研发有重要的借鉴意义。
14.本发明方法在柔性基底上能够制备可定制的三维电极结构，所制备的电极结构具有比表面积大的特点，能够有效提升电极的电化学性能，所提出的方法具有制作成本低、操作简捷及拓展性强等特点。
15.本发明利用不同大小的磁性颗粒在不同强度的磁场中受力不同，通过控制外加磁场大小、磁性颗粒大小能够实现对三维电极的低成本可控制备。通过添加结构模板能够实现电极结构的图形化三维加工，可应用于柔性电子元器件的研发，有效提升电极材料的比表面积进而改善器件的电化学性能。本发明方法具有制作方法简便、成本低的特点，同时结合图形模板能够实现图形化三维电极的制备。
附图说明
16.图1为本发明方法中柔性基底上加工的三维结构层的形貌示意图。
具体实施方式
17.实施例1.
18.步骤(1)在底面为正方形的加工容器中加入聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液以及对应的固化剂，静置至完全固化，得到正方形的柔性基底；
19.步骤(2)将图形化模具置于柔性基底表面，图形化模具内加入聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液和对应的固化剂，以及粒径为50nm的铁粉，放置到磁场环境静置2小时，固化后形成平面为设计图形的三维结构层，三维结构层具有磁控生长的微柱形貌；加入的铁粉与聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液的质量比为1:1；
20.步骤(3)将加工容器以及图形化模具整体从磁场环境中取出，静置至完全固化，得到保留着图形化模具的柔性聚合物结构；
21.步骤(4)利用磁共溅射的方法，在具有三维结构层的柔性聚合物结构的一面沉积导电金属金，形成金属导电层；
22.步骤(5)取下图形化模具，金属导电层只保留覆盖三维结构层的部分，其他部分的金属导电层随图形化模具去除，得到柔性三维电极。
23.实施例2.
24.步骤(1)在底面为圆形的加工容器中加入聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶液以及对应的固化剂，静置至完全固化，得到圆形的柔性基底；
25.步骤(2)将图形化模具置于柔性基底表面，图形化模具内加入聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶液和对应的固化剂，以及粒径为100nm的fe2o3颗粒，放置到磁场环境静置3小时，固化后形成平面为设计图形的三维结构层，三维结构层具有磁控生长的微柱形貌；加入的fe2o3颗粒与聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶液的质量比为3:1；
26.步骤(3)将加工容器以及图形化模具整体从磁场环境中取出，静置至完全固化，得到保留着图形化模具的柔性聚合物结构；
27.步骤(4)利用磁共溅射的方法，在具有三维结构层的柔性聚合物结构的一面沉积导电金属银，形成金属导电层；
28.步骤(5)取下图形化模具，金属导电层只保留覆盖三维结构层的部分，其他部分的金属导电层随图形化模具去除，得到柔性三维电极。
29.实施例3.
30.步骤(1)在底面为矩形的加工容器中加入聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)溶液以及对应的固化剂，静置至完全固化，得到矩形的柔性基底；
31.步骤(2)将图形化模具置于柔性基底表面，图形化模具内加入聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)溶液和对应的固化剂，以及粒径为500nm的铁粉，放置到磁场环境静置3.5小时，固化后形成平面为设计图形的三维结构层，三维结构层具有磁控生长的微柱形貌；加入的铁粉与聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)溶液的质量比为5:1；
32.步骤(3)将加工容器以及图形化模具整体从磁场环境中取出，静置至完全固化，得到保留着图形化模具的柔性聚合物结构；
33.步骤(4)利用磁共溅射的方法，在具有三维结构层的柔性聚合物结构的一面沉积导电金属铜，形成金属导电层；
34.步骤(5)取下图形化模具，金属导电层只保留覆盖三维结构层的部分，其他部分的金属导电层随图形化模具去除，得到柔性三维电极。
35.实施例4.
36.步骤(1)在底面为正方形的加工容器中加入聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液以及对应的固化剂，静置至完全固化，得到正方形的柔性基底；
37.步骤(2)将图形化模具置于柔性基底表面，图形化模具内加入聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液和对应的固化剂，以及粒径为1μm的fe2o3颗粒，放置到磁场环境静置4小时，固化后形成平面为设计图形的三维结构层，三维结构层具有磁控生长的微柱形貌；加入的fe2o3颗粒与聚二甲基硅氧烷(pdms)溶液的质量比为10:1；
38.步骤(3)将加工容器以及图形化模具整体从磁场环境中取出，静置至完全固化，得到保留着图形化模具的柔性聚合物结构；
39.步骤(4)利用磁共溅射的方法，在具有三维结构层的柔性聚合物结构的一面沉积导电金属铜，形成金属导电层；
40.步骤(5)取下图形化模具，金属导电层只保留覆盖三维结构层的部分，其他部分的金属导电层随图形化模具去除，得到柔性三维电极。
41.实施例5.
42.步骤(1)在底面为圆形的加工容器中加入聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶液以及对应的固化剂，静置至完全固化，得到圆形的柔性基底；
43.步骤(2)将图形化模具置于柔性基底表面，图形化模具内加入聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶液和对应的固化剂，以及粒径为5μm的铁粉，放置到磁场环境静置5小时，固化后形成平面为设计图形的三维结构层，三维结构层具有磁控生长的微柱形貌；加入的铁粉与聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)溶液的质量比为15:1；
44.步骤(3)将加工容器以及图形化模具整体从磁场环境中取出，静置至完全固化，得到保留着图形化模具的柔性聚合物结构；
45.步骤(4)利用磁共溅射的方法，在具有三维结构层的柔性聚合物结构的一面沉积导电金属铜，形成金属导电层；
46.步骤(5)取下图形化模具，金属导电层只保留覆盖三维结构层的部分，其他部分的金属导电层随图形化模具去除，得到柔性三维电极。
47.实施例6.
48.步骤(1)在底面为矩形的加工容器中加入聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)溶液以及对应的固化剂，静置至完全固化，得到矩形的柔性基底；
49.步骤(2)将图形化模具置于柔性基底表面，图形化模具内加入聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)溶液和对应的固化剂，以及粒径为10μm的fe2o3颗粒，放置到磁场环境静置6小时，固化后形成平面为设计图形的三维结构层，三维结构层具有磁控生长的微柱形貌；加入的fe2o3颗粒与聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)溶液的质量比为20:1；
50.步骤(3)将加工容器以及图形化模具整体从磁场环境中取出，静置至完全固化，得到保留着图形化模具的柔性聚合物结构；
51.步骤(4)利用磁共溅射的方法，在具有三维结构层的柔性聚合物结构的一面沉积导电金属铜，形成金属导电层；
52.步骤(5)取下图形化模具，金属导电层只保留覆盖三维结构层的部分，其他部分的金属导电层随图形化模具去除，得到柔性三维电极。
53.实施例1～6中的图形化模具为平面模具，其外沿与柔性基底的外沿一致，中部按照设计挖空。三维结构层的形貌如图1所示，图中的凸起即为磁性颗粒。可以看出磁化后的生长的微柱形貌，微柱具有同向生长性。
技术特征：1.一种柔性三维电极的制备方法，其特征在于，具体是：步骤(1)在加工容器中加入柔性聚合物溶液以及对应的固化剂，静置至完全固化，得到柔性基底；步骤(2)将图形化模具置于柔性基底表面，图形化模具内加入柔性聚合物溶液和对应的固化剂，以及磁性颗粒，放置到磁场环境静置2～6小时，固化后形成平面为设计图形的三维结构层，所述的三维结构层具有磁控生长的微柱形貌；步骤(3)将加工容器以及图形化模具整体从磁场环境中取出，静置至完全固化，得到柔性聚合物结构；步骤(4)利用磁共溅射的方法，在具有三维结构层的柔性聚合物结构的一面沉积导电金属材料，形成金属导电层；步骤(5)取下图形化模具，金属导电层只保留覆盖三维结构层的部分，得到柔性三维电极。2.如权利要求1所述的一种柔性三维电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的磁性颗粒是粒径为50nm～10μm的铁粉或fe2o3颗粒，与柔性聚合物溶液的质量比为1:1～20:1。3.如权利要求1所述的一种柔性三维电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)和(2)采用相同的柔性聚合物溶液，为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。4.如权利要求1所述的一种柔性三维电极的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述的导电金属材料为金、银或铜。
技术总结本发明公开了一种柔性三维电极的制备方法。本发明方法首先在加工容器中加入柔性聚合物溶液静置至完全固化，得到柔性基底；然后将图形化模具置于柔性基底表面，图形化模具内加入柔性聚合物溶液和磁性颗粒，放置到磁场环境中固化形成三维结构层；完全固化后，在表面沉积导电金属材料，形成金属导电层；最后取下图形化模具，金属导电层只保留覆盖三维结构层的部分，得到柔性三维电极。发明方法能够实现基底和电极结构的一体化成型，电极三维结构形貌可控，所制备的电极结构具有比表面积大的特点，提升了电极的电化学性能。该发明方法加工方法简便、成本低。成本低。成本低。
技术研发人员：李德钊 王煜猛 祁云峰 陈传刚 阮杨涛 林强
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2022.06.30
技术公布日：2022/11/1
