Monolitycznie zintegrowane mikrosuperkondensatory o ultrawysokim napięciu wyjściowym

Aby w przyszłości wdrożyć w pełni prawdziwy paradygmat Internetu Rzeczy, kompaktowe, monolityczne, zintegrowane mikrosuperkondensatory (MIMSC) o wysokiej sprawności systemowej wraz z gęstością liczby komórek staną się niezbędne do zasilania zminiaturyzowanej elektroniki. Jednak ich skalowalna produkcja to wciąż wyzwanie. Barierami na ich drodze jest kilka ograniczeń. Precyzyjne osadzanie elektrolitów na gęsto upakowanych mikrosuperkondensatorach (MSC) przy jednoczesnym zapewnieniu izolacji elektrochemicznej jest jednym z najtrudniejszych mankamentów do pokonania. Ponadto podczas złożonych procedur mikrowytwarzania można znacznie obniżyć wydajność elektrochemiczną, a nawet wtedy trudno jest osiągnąć jednolitość efektywności wielu pojedynczych ogniw. Aby rozwiązać te krytyczne problemy, prof. Zhong-Shuai Wu i jego współpracownicy opracowali innowacyjną i skuteczną strategię łączącą wieloetapowe wzornictwo litograficzne, drukowanie natryskowe mikroelektrod MXene i trójwymiarowe (3D) elektrolitu żelowego celem masowej produkcji MIMSC. Jednocześnie osiągnięto doskonałą gęstość liczby komórek i dużą wydajność systemową.

Zespół uzyskał monolityczną integrację elektrochemicznie izolowanych mikrosuperkondensatorów w bliskiej odległości, wykorzystując techniki mikrowzorców o wysokiej rozdzielczości do osadzania mikroelektrod i drukowania 3D w celu precyzyjnego osadzania elektrolitu. Po pierwsze, korzystając z wysokiej rozdzielczości wzornictwa litograficznego i wyjątkowości nanocząstek MXene, wytworzono super gęste macierze mikroelektrod. Każdy pojedynczy MSC oparty na MXene wykazuje wyjątkowo mały rozmiar, wielkości 1,8 mm², sporą pojemność powierzchniową 4,1 mF / cm², objętościową 457 F / cm³ i stabilną wydajność przy znaczącej szybkości skanowania do 500 V / s. Po drugie, opracowali prostą, niezawodną i efektywną strategię elektrochemicznej izolacji poszczególnych jednostek. W tym celu zaprojektowano żelowy atrament elektrolityczny, kompatybilny z nowatorską techniką drukowania 3D, umożliwiając elektrochemiczną izolację sąsiednich mikroogniw z odległości zaledwie 600 μm, zapewniając wyjątkową jednorodność wydajności.

W rezultacie naukowcy byli w stanie uzyskać MIMSC o doskonałej gęstości powierzchniowej 28 komórek cm² (400 komórek na 3,5 × 4,1 cm²), rekordowym powierzchniowym napięciu wyjściowym 75,6 V cm² i akceptowalnej objętościowej gęstości energii systemowej 9,8 mWh cm³, znacznie przekraczając te z wcześniej zgłoszonych zintegrowanych MSC.

Przypisane niezawodności i jednorodności każdego etapu procesów mikrowytwarzania, w tym litografii, drukowania natryskowego i 3D oraz podnoszenia, pozwoliły na wyprodukowanie MSC, które uwydatniają doskonałą powtarzalność efektywności na większą skalę. A MIMSC wykazują dobrą retencję pojemności na poziomie 92% po 4000 cykli przy ekstremalnie wysokim napięciu wyjściowym 162 V (patrz rysunek c). „Ta innowacyjna strategia mikrowytwarzania oznacza wielki postęp jako nowa platforma technologiczna dla monolitycznych mikroźródeł energii i pomoże w zastosowaniach, w których od jednostek magazynujących zasoby wymagana jest kompaktowa integracja i wysoka wydajność systemowa” — wskazuje Wu.

Źródło: https://phys.org/news/2023-02-ultrahigh-areal-output-voltage-monolithically.html