用于为小型电子设备供电的超高面积输出电压单片集成微型超级电容器

这项研究由吴中帅教授、路耀教授(中国科学院大连化学物理研究所)和程慧明教授(材料科学与工程学院/碳中和技术研究所)领导, 中国科学院深圳先进技术研究院). 为了在未来实现真正的物联网，具有高系统性能和电池数量密度的紧凑型单片集成微型超级电容器 (MIMSC) 将成为为小型电子设备供电不可或缺的，但它们的可扩展生产仍然具有挑战性。一些限制成为他们前进道路上的障碍。将电解质精确地沉积在密集堆积的微型超级电容器 (MSC) 上，同时确保电化学隔离是需要克服的最艰巨的挑战之一。此外，在复杂的微细加工过程中，电化学性能可能会显着下降，即使如此，许多单个电池之间的性能均匀性也很难实现。为了解决这些关键问题，Wu 和同事开发了一种创新的高通量策略，结合多步光刻图案化、MXene 微电极的喷涂印刷和凝胶电解质的三维 (3D) 打印，同时用于 MIMSC 的大规模生产实现卓越的细胞数密度和高系统性能。

该团队通过利用用于微电极沉积的高分辨率微图案化技术和用于精确电解质沉积的 3D 打印，实现了电化学隔离微型超级电容器的整体集成。首先，得益于光刻图案的高分辨率和 MXene 纳米片的独特性，制造了超密集的微电极阵列，每个基于 MXene 的 MSC 都具有 1.8 mm 2的极小占地面积和 4.1 mF cm 的高面电容-2 , 457 F cm -3的高体积电容，在高达500 V s -1的超高扫描速率下性能稳定. 其次，他们开发了一种简单、可靠且大通量的策略，用于单个单元的电化学隔离。为此，合理设计了与新型 3D 打印技术兼容的凝胶电解质墨水，使相邻的微电池能够以仅 600 μm 的紧密距离进行电化学隔离，并提供出色的性能均匀性。因此，研究人员能够获得具有 28 个细胞 cm -2的优异面数密度(3.5×4.1 cm 2上有 400 个细胞，下图 b)、创纪录的 75.6 V cm -2面积输出电压和可接受的全身体积能量密度为 9.8 mWh cm -3, 远远超过先前报道的集成 MSCs。由于光刻、喷涂、剥离和3D打印等微细加工过程中每一步的可靠性和均匀性，所得MSCs在更大规模上表现出优异的性能一致性，MIMSCs在4000年后表现出良好的92%的电容保持率在 162 V 的极高输出电压下循环(见下图 c)。

“这种创新的微加工策略标志着作为单片微电源新技术平台的巨大进步，并将有助于需要储能单元的紧凑集成和高系统性能的应用。” 吴说。

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