研究人員開發(fā)出新型單片集成微型超級電容器

雙電層電容(Electrical Double-Layer Capacitor)是超級電容器的一種，是一種新型儲能裝置。

雙電層電容介于電池和電容之間，其極大的容量完全可以作為電池使用。雙電層電容相比采用電化學(xué)原理的電池，其充放電過程完全沒有涉及到物質(zhì)的變化，所以其具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)。

雙電層電容其雙電層的間距極小，致使耐壓能力很弱，一般不會超過20V，所以其通常用作低電壓直流或者是低頻場合下的儲能原件。

雙電層電容用途廣泛。用作起重裝置的電力平衡電源，可提供超大電流的電力;用作車輛啟動電源，啟動效率和可靠性都比傳統(tǒng)的蓄電池高，可以全部或部分替代傳統(tǒng)的蓄電池;用作車輛的牽引能源可以生產(chǎn)電動汽車、替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)、改造現(xiàn)有的無軌電車;用在軍事上可保證坦克車、裝甲車等戰(zhàn)車的順利啟動(尤其是在寒冷的冬季)、作為激光武器的脈沖能源。此外還可用于其他機(jī)電設(shè)備的儲能能源。

萊斯大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種固態(tài)微型超級電容器，他們稱其可與可用于能量存儲和輸送的最佳超級電容器相媲美。該設(shè)備不是電池，而是隨著技術(shù)的進(jìn)步變得與電池相似。傳統(tǒng)電容器儲存能量并快速釋放能量(如在相機(jī)閃光燈中)，不像普通鋰離子電池需要很長時間才能根據(jù)需要充電和釋放能量。

Rice 集團(tuán)開發(fā)的微型超級電容器充電速度比電池快 50 倍，放電速度比傳統(tǒng)電容器慢，并且在存儲能量和輸出功率方面與商用超級電容器相匹配。

綠色柔性微型超級電容器是未來可穿戴電子產(chǎn)品的關(guān)鍵，其核心技術(shù)是電容器的微電極的制作。目前使用的材料均不可生物降解，導(dǎo)致大量電子廢棄物產(chǎn)生，且制作工藝復(fù)雜，成本高昂。由于葉子由生物礦物質(zhì)組成，可分解成無機(jī)晶體，所以成為理想的3D介孔少層石墨烯固定材料。聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)使用飛秒激光脈沖在不同類型的葉子上光刻出分層多孔石墨烯的電路，成功研制出高導(dǎo)微電極。運(yùn)用該微電極的微型超級電容器具有較低的薄層電阻和出色的電容保持率。

具有高系統(tǒng)性能、優(yōu)異的電池?cái)?shù)密度、可調(diào)電容和輸出電壓的微型電化學(xué)儲能系統(tǒng)有望用于小型化電子產(chǎn)品。

由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所吳中帥研究員、路遙研究員領(lǐng)銜，深圳先進(jìn)技術(shù)研究院程惠明研究員課題組合作的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，中國科學(xué)院金屬研究所開發(fā)了具有超高系統(tǒng)體積性能和面輸出電壓的單片集成微型超級電容器。

該研究于 11 月 26 日發(fā)表在《國家科學(xué)評論》上。

片上交叉指狀微型超級電容器 (MSC)，沒有隔板和外部金屬連接線，同時具有可靠的電化學(xué)性能和可調(diào)連接，可以提高單片集成 MSC (MIMSC) 的電池?cái)?shù)量密度和系統(tǒng)性能，并在有限的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)理想的可定制性空間。

然而，大規(guī)模生產(chǎn)具有高系統(tǒng)性能、卓越的細(xì)胞數(shù)密度和可調(diào)性能的全功能緊湊型 MIMSCs 仍然具有挑戰(zhàn)性。這是由于難以將電解質(zhì)精確沉積在密集堆積的 MSC 上以進(jìn)行電化學(xué)隔離，在復(fù)雜的微加工過程中會犧牲電化學(xué)性能，以及大規(guī)模陣列中眾多單個電池之間的性能均勻性有限。

在這項(xiàng)研究中，研究人員開發(fā)了一種通用且大通量的微細(xì)加工策略，通過結(jié)合多步光刻圖案化、MXene 微電極的噴涂印刷和凝膠電解質(zhì)的可控三維 (3D) 打印來解決上述問題。

他們通過利用用于微電極沉積的高分辨率微圖案化技術(shù)和用于精確電解質(zhì)沉積的 3D 打印技術(shù)，制造了電化學(xué)隔離微型超級電容器的整體集成。

他們獲得的 MIMSCs 具有 28 個細(xì)胞 cm -2的高面數(shù)密度(400 個細(xì)胞在 3.5×4.1 cm 2上)，創(chuàng)紀(jì)錄的面積輸出電壓為 75.6 V cm -2，可接受的全身體積能量密度為 9.8 mWh cm -圖3以及在 162 V 輸出電壓下 4,000 次循環(huán)后的 92%的高電容保持率。

吳教授說：“這項(xiàng)工作為為未來微電子提供動力的單片集成和微型儲能組件鋪平了道路?！?