科学家首度运用电流体力学直喷印刷技术,开发微型超级电容

当前已开发出尺寸与人类指纹一样小,并可直接与电子芯片相集成的迷你微型超级电容(Micro-Supercapacitor,MSC)。由于该组件在应用至个别电子零部件时可以独立驱动,所以引起了人们广泛的关注,并视之为引领物联网(IoT)时代的新兴技术。

通过这项研究,Sang-Young Lee教授及其在韩国蔚山国立科技大学(UNIST)能源与化学工程学院的研究团队发布了一种新型超高平面密度固态微型超级电容(UHD SS–MSC),该组件可通过电流体力学直喷印刷(Electrohydrodynamic,EHD)技术而印刷在芯片上。根据该研究团队指出,这是首度将电流体力学直喷印刷技术应用在微型超级电容之中的研究。

(Source:Science Advances)

特别适用于穿戴式与IoT设备

超级电容(SC)又称为Ultra-capacitor,可以比一般电容器存储更多的能量。与锂蓄电池相比,超级电容器的优势包括具有更高的电力输出和更长的充电循环寿命。特别的是,通过半导体制程,它可以制造成与人类指纹一样小的组件,因此特别适用于穿戴式设备与IoT设备。

然而,由于在制程中产生的热量可能导致超级电容器之电子特性的劣化,因此难以将它们直接连接至电子零部件。另外,通过喷墨印刷技术将超级电容器与电子零部件组合在一起的制造方法也会有精度较低的缺点。

研究团队使用电流体力学直喷印刷技术解决了这个问题,该技术是微电子学中的一种高分辨率微影成像技术。电流体力学直喷印刷使用电极和电解液进行印刷,类似于传统的喷墨印刷,但是它可以通过电场来控制印刷液。

“通过电动液体力学(Electro-Hydrodynamic)直喷印刷技术,我们每平方厘米最多可生产54.9个电池单元,因此在同一区域可实现65.9伏特电压的输出,”该研究的第一作者Kwonhyung Lee指出。

该团队也成功地在芯片上制造了36个电池单元与平面工作电压(65.9 V cm-2,远远超过先前通过一般喷墨印刷技术所制造的微型超级电容)。此外,这些电池单元即使暴露在摄氏80度的高温下仍保持正常的循环伏安法(Cyclic Voltammetry, CV)曲线,因此证明了它们可以承受实际电子零部件运行过程中所产生的过多热量。此外,这些电池可以串联或并联,因此可以提供定制化电源。

“在这项研究中,我们实际展示了在芯片上通过电流体力学直喷印刷技术制造的UHD SS–MSC,”Lee教授表示。“在此所介绍的芯片上UHD SS–MSC,其作为一个新兴平台技术,并提供具备定制化设计与可调节电化学特性之微型单芯片电源的角色来说,的确充满无限前景。”

(首图来源:Science Advances)

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