Summary
Dette papiret gir en teknikk for produksjon av brikkebaserte superkondensatorer ved hjelp av en blekkskriver. Metoder er beskrevet i detalj for å syntetisere blekk, justere programvareparametere og analysere de elektrokjemiske resultatene til den produserte superkondensatoren.
Abstract
Det er en enorm innsats på ulike felt for å bruke blekkskrivermetoden for fabrikasjon av bærbare enheter, skjermer og energilagringsenheter. For å få produkter av høy kvalitet kreves imidlertid sofistikerte operasjonsferdigheter avhengig av blekkmaterialenes fysiske egenskaper. I denne forbindelse er optimalisering av blekkskriverparametrene like viktig som å utvikle de fysiske egenskapene til blekkmaterialene. I denne studien presenteres optimalisering av programvareparametere for blekkskrivere for å fremstille en superkondensator. Superkondensatorer er attraktive energilagringssystemer på grunn av deres høye effekttetthet, lang levetid og forskjellige applikasjoner som strømkilder. Superkondensatorer kan brukes i Tingenes Internett (IoT), smarttelefoner, bærbare enheter, elektriske kjøretøy (ELBILER), store energilagringssystemer, etc. Det brede spekteret av applikasjoner krever en ny metode som kan fremstille enheter i forskjellige skalaer. Blekkskrivermetoden kan bryte gjennom den konvensjonelle fabrikasjonsmetoden med fast størrelse.
Introduction
I løpet av de siste tiårene har flere utskriftsmetoder blitt utviklet for ulike bruksområder, inkludert bærbare enheter1, legemidler2 og luftfartskomponenter3. Utskriften kan enkelt tilpasses ulike enheter ved ganske enkelt å endre materialene som skal brukes. Videre forhindrer det svinn av råvarer. For å produsere elektroniske enheter er det utviklet flere utskriftsmetoder som silketrykk4, push-coating5 og litografi6. Sammenlignet med disse utskriftsteknologiene har blekkskrivermetoden flere fordeler, inkludert redusert materialavfall, kompatibilitet med flere substrater7, lavpris8, fleksibilitet9, lavtemperaturbehandling10 og enkel masseproduksjon11. Imidlertid har bruken av blekkskriverutskriftsmetoden knapt blitt foreslått for visse sofistikerte enheter. Her presenterer vi en protokoll som fastsetter detaljerte retningslinjer for bruk av blekkskriverutskriftsmetoden for utskrift av en superkondensatorenhet.
Superkondensatorer, inkludert pseudokondensatorer og elektrokjemiske dobbeltlagskondensatorer (EDLCer), fremstår som energilagringsenheter som kan utfylle konvensjonelle litium-ion-batterier12,13. Spesielt er EDLC en lovende energilagringsenhet på grunn av den lave prisen, høy effekttetthet og lang sykluslevetid14. Aktivert karbon (AC), med høyt spesifikt overflateareal og ledningsevne, brukes som elektrodemateriale i kommersielle EDLD-er15. Disse egenskapene til AC tillater EDLCs å ha en høy elektrokjemisk kapasitans16. EDLCer har passivt volum i enheter når den konvensjonelle fabrikasjonsmetoden med fast størrelse brukes. Med blekkskriver kan EDLCene integreres fullt ut i produktdesignet. Derfor er enheten fremstilt ved hjelp av blekkskrivermetoden funksjonelt bedre enn den som er fremstilt av eksisterende metoder med fast størrelse17. Fabrikasjonen av EDLCer ved hjelp av den effektive blekkskrivermetoden maksimerer stabiliteten og levetiden til EDLCer og gir en friformsfaktor18. Utskriftsmønstrene ble designet ved hjelp av et PCB CAD-program og konvertert til Gerber-filer. De utformede mønstrene ble skrevet ut med en blekkskriver fordi den har nøyaktig programvareaktivert kontroll, høy materialgjennomstrømning og utskriftsstabilitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Design av mønster ved hjelp av PCB CAD-program
- Kjør CAD-programmet. Klikk på Fil-knappen øverst i programvinduet. Hvis du vil opprette en ny prosjektfil, klikker du Knappene Ny og Prosjekt .
- Hvis du vil generere tavlefilen, klikker du på knappene Fil, Ny og Tavle i rekkefølge. Angi rutenettstørrelse, flere verdier og alternative verdier ved å klikke på den nettformede rutenettknappen øverst til venstre i det opprettede Board File-vinduet (eller klikke på Vis og rutenett i rekkefølge øverst i vinduet).
- Endre både rutenettstørrelsen og alt-verdien fra mm til tomme, slik at blekkskriveren kan lese PCB CAD-mønsteret. Trykk Finest for å foreta finjusteringer.
- Design mønsteret til den nåværende samleren og EDLC-linjen i en interdigitated form. Design gelpolymerelektrolyttmønsteret (GPE) og nåværende oppsamlingsputer i rektangulær form (figur 1).
MERK: Mønsterbredde: 43 mm, mønsterhøyde: 55 mm, linjelengde: 40 mm, linjebredde: 1,0 mm, linje-til-linje-plass: 1,5 mm og putestørrelse: 15 x 5 mm2.- Siden det endelige mønsteret består av tre typer (ledende linje, EDLC og GPE), angir du de tre lagene som følger.
- Klikk på Vis og Laginnstillinger i rekkefølge øverst i vinduet. Opprett nye lag ved å klikke Ny lag-knappen nederst til venstre i Synlige lag-vinduet .
- I det nye vinduet (Nytt lag) definerer du navnet og fargen på det nye laget. Hvis du vil skille lagene visuelt, setter du navnene på de tre lagene til Gjeldende samler, EDLC og GPE, og endrer de tilsvarende fargene ved å klikke boksen til høyre for Farge.
- Trykk Linje nederst til venstre på skjermen, klikk på hovedfeltet (svart bakgrunn), og dra for å tegne en linje. Hvis du vil endre tykkelsen på linjen, skriver du inn verdien av Bredde øverst i midten i tommeskala (1,0 mm = 0,0393701 tommer).
- For å redigere lengden på en linje, høyreklikk på linjen og klikk på Egenskaper nederst. I feltene Fra og Til skriver du inn x- og y-verdiene for start- og sluttpunktene.
- Hvis du vil angi mønsterets referansepunkt, setter du det øverste venstre hjørnet av mønsteret vist i figur 1 til (0,0). Tegn resten av mønsteret basert på informasjonen ovenfor.
- For å sette det tegnede mønsteret til ønsket lag, høyreklikk på mønsteret og klikk på Egenskaper. Klikk deretter på Lag, og velg ønsket lag.
- Hvis du vil tegne rektangulære mønstre på gjeldende oppsamlingspute og GPE, trykker du rektal nederst til venstre i hovedvinduet. Klikk og dra på skjermen (hovedfeltet) der det tidligere tegnede mønsteret finnes.
- For å redigere, høyreklikk på den rektangulære overflaten og klikk på Egenskaper nederst. Skriv inn verdien for øverst til venstre (x,y) og den nedre høyreverdien (x,y) for rektanglet i henholdsvis Fra- og Til-feltene. Sett rektanglet til ønsket lag som nevnt i trinn 1.4.5.
- Siden det endelige mønsteret består av tre typer (ledende linje, EDLC og GPE), angir du de tre lagene som følger.
- Konverter CAD-filen for det utformede mønsteret til Gerber-filformatet som leses av blekkskriveren.
- Før du konverterer den utformede mønsterfilen, lagrer du tavlefilen i BRD-format. For å lagre, klikk på Fil, og trykk deretter på Lagre (eller trykk CTRL + S på tastaturet).
- Etter lagring, klikk på Fil øverst i vinduet og klikk på CAM-prosessor. Hvis du vil opprette en Gerber-fil med ønsket lag, endrer du elementene under Gerber of Output Files på venstre side av vinduet, på følgende måte.
- Først sletter du underlistene som Top Copper og Bottom Copper ved å trykke på '-' nedenfor. Trykk '+' og klikk på New Gerber Output for å lage Gerber-utgang.
- På høyre side av skjermen setter du lagnavnet i Navn og funksjon til Kobber ved å trykke på giret til høyre. Sett Lagtype til Topp og sett Gerber Layer Number for gjeldende samler, henholdsvis EDLC og GPE til henholdsvis L1, L2, L3.
- I lagvinduet nederst i Gerber File klikker du på Rediger lag nederst til venstre og velger hvert ønsket lag.
- Hvis du vil angi navnet på utdatafilen som skal opprettes, setter du Gerber-filnavnet for utdata nederst i vinduet til %PREFIX/%NAME.gbr.
- Til slutt klikker du på Lagre jobb øverst til venstre i vinduet for å lagre innstillingene. Klikk på Prosessjobb nederst til høyre for å opprette en Gerber-fil.
2. Trykksyntese
MERK: Fleksibel Ag-blekk brukes som ledende blekk for gjeldende oppsamlingslinje og puter.
- Forbered EDLC blekk ved hjelp av terpineol, etylcellulose, aktivert karbon (AC), Super-P, polyvinylliddifluorid (PVDF) og Triton-X som følger.
- Bruk 2951 μL terpineol med høy viskositet som løsningsmiddel og 1,56 g etylcellulose som fortykningsmiddel. Angi forholdet mellom AC og Super-P og PVDF som 7:2:1 med en totalvekt på 1,8478 g. I tillegg bruker du 49 μL Triton-X som overflateaktivt middel for blanding.
- Bland alle materialene i 30 min ved hjelp av en planetarisk mikser. Plasser det godt blandede elektrodematerialet i en patron for blekkskriveren og sentrifuger det på 115 x g i 5 minutter.
- Klargjør GPE-blekk ved hjelp av propylenkarbonat (PC), PVDF og litiumperklorat (LiClO4) som følger.
- Bruk PC som løsningsmiddel, PVDF som polymermatrise og LiClO4 som salt. Vei alle komponenter i GPE slik at den endelige molarkonsentrasjonen av LiClO4 er 1 M, og den endelige vekten % av PVDF er 5 wt%.
- Rør alle komponentene ved 140 °C i 1 time til oppløsningen. Etter omrøring, avkjøl GPE-blekket tilstrekkelig og legg det i blekkpatronen.
3. Oppsett av programvareparameter for Inkjet-skriver
- Kjør skriverprogrammet. Klikk på Skriv ut-knappen , velg Enkel, og velg deretter Fleksibel konduktiv blekk i rekkefølge som vist i figur 2.
- Last opp Gerber-filen til det designede mønsteret ved å følge 1-pilen i figur 3. Velg og åpne Gerber-filen til den ledende linjen (se 2 og 3 piler i figur 3). Klikk på NESTE-knappen som angitt med 4-pilen.
- Fest PCB-kortet som vist i figur 4A, og monter proben som vist på figur 4B.
- Juster nullpunktet til PCB-skriveren gjennom sonden ved å klikke på OUTLINE-knappen (se den 1,4 røde pilen i figur 5).
MERK: Sonden beveger seg over PCB-kortet mens den viser omrisset av mønsteret (se nederst til høyre i figur 5). - Flytt mønsterbildet på skjermen ved å dra (se den gule stiplede pilen i figur 5). Klikk på OUTLINE-knappen en gang til for å sjekke om sonden beveger seg gjennom ønsket bane. Klikk på NEXT (angitt med 5-pilen i figur 5).
- Klikk på PROBE for å måle høyden på substratet for å kontrollere om substratet er flatt (figur 6).
MERK: Probingsområdet på substratet velges automatisk av programmet som er innebygd i skriveren. - Fjern sonden når høydemålingen er fullført. Sett blekkpatronen inn i blekkdispenseren og koble til dysen (indre diameter: 230 μm) for å klargjøre dispenseren.
- Monter hver blekkskriver (konduktiv linje, EDLC, GPE) og skriv ut et prøvemønster ved å trykke på CALIBRATE-knappen mens du justerer parametrene for hver blekkfarge (figur 7).
- Kontroller utskriftsresultatet visuelt, og registrer parameterverdiene for hver trykkfarge. Se Representative resultater hvis du vil ha mer informasjon.
4. Skrive ut den ledende linjen
MERK: Siden trinn 4.1. til 4,7. overlapper med avsnitt 3, blir de bare kort oppsummert nedenfor.
- Kjør blekkskriverprogrammet og klikk på Skriv ut i startmenyen og velg Enkel (figur 1).
- Klikk på Velg fil-knappen ved siden av Håndskrift for å laste inn den designede mønsterfilen og klikk på NESTE (figur 3).
- Fest PCB-kortet på skriveren, og installer proben (figur 4).
- Kontroller mønsterets posisjon på substratet og mål høyden på substratet (figur 5 og figur 6).
- Fjern proben, og monter deretter den ledende blekkdispenseren (fleksibel Ag ink).
- Endre programvareparametrene for ledende blekk ved å klikke på Innstillinger-knappen (se figur 7 og tabell 1).
- Skriv ut et eksempelmønster for å kontrollere om innstillingen fra trinn 4.6 er vellykket.
- Slett prøveutskriftsmønsteret med en rengjøringsserviett fuktet med etanol.
- Skriv ut det utformede mønsteret på den ledende linjen ved å trykke på START-knappen .
- Etter utskrift, kurere den ledende linjen ved 180 °C i 30 min. Mål deretter den kombinerte vekten av substratet og den ledende linjen.
5. Skrive ut EDLC-linjen
- Velg alternativet Justert på startskjermen i skriverprogrammet. Last inn EDLC-linjemønsterfilen og klikk på NEXT (se trinn 3.2).
- Sørg for at posisjonen til den ledende linjen oppdages gjennom to justeringspunkter for å justere mønsterposisjonene til EDLC-linjen og den ledende linjen. Deretter flytter du til et tilfeldig punkt og kontrollerer om plasseringen er riktig.
- Mål den totale høyden på den ledende linjen for å kontrollere høyden på dispenserdysen over den ledende linjen ved å klikke på PROBE-knappen (se figur 6).
- Endre programvareparameterverdiene for EDLC-blekk (figur 7 og tabell 1).
- Skriv ut et eksempelmønster for å kontrollere om programvareparameterverdiene er riktige. Slett prøveutskriftsmønsteret med en rengjøringsserviett fuktet med etanol. Skriv ut EDLC-linjen ved å trykke på START-knappen .
- Tørk den trykte EDLC-linjen over natten ved romtemperatur for å fordampe løsningsmidlet.
- For å beregne vekten av den tørkede EDLC-linjen, mål den kombinerte vekten av substratet, ledende linje og EDLC-linjen.
6. Utskrift av GPE-mønsteret
- Velg alternativet Justert på startskjermen i skriverprogrammet. Last inn Gerber-filen til GPE-mønsteret og klikk på NEXT (se trinn 3.2).
- Kontroller justeringspunktene og flytt til et hvilket som helst punkt for å kontrollere om posisjonen er riktig.
- Mål høyden på EDLC-linjen for å angi standardhøyden for dysen.
- Endre programvareparameterverdiene for GPE-blekk (figur 7 og tabell 1).
- Skriv ut et eksempelmønster for å kontrollere om programvareparameterverdiene er riktige.
- Slett prøveutskriftsmønsteret med en rengjøringsserviett fuktet med etanol. Skriv ut GPE-mønsteret.
- For å ha en stabiliseringsprosess og fordampe restløsningsmidlet, tørk GPE-mønsteret ved romtemperatur i 24 timer.
7. Elektrokjemisk test
- Utfør de elektrokjemiske målingene for den blekkskrivertrykte superkondensatorenheten ved å følge trinnene nedenfor. Slå på potensiostatenheten og kjør programmet for å måle syklisk voltammetri (CV), galvanisostatisk ladning/utladning (GCD) og elektrokjemisk impedansspektroskopi (EIS).
- Koble potentiostat til superkondensatorenheten som ble skrevet ut tidligere.
MERK: Fire tilkoblingsledninger brukes i potensiostaten: arbeidselektroden (WE), arbeidssensoren (WS), motelektroden (CE) og referanseelektroden (RE). - Koble WS-linjen til WE-linjen og RE-linjen til CE-linjen, da den fabrikkerte enheten er en symmetrisk superkondensator.
- Koble WE\WS-linjen og CE\RE-linjen til de motsatte gjeldende oppsamlingsputene på superkondensatorenheten.
- Koble potentiostat til superkondensatorenheten som ble skrevet ut tidligere.
- Generer en sekvens med CV-er og kjør den for å få resultatet.
- Kjør programmet for å generere sekvensfilen.
- Klikk på Ny sekvens-knappen .
- Klikk på Legg til-knappen for å generere trinn 1.
- Kontroller om potensialet som vises av potensiostaten er 0 V eller ikke. Hvis potensialet ikke er 0 V, gjør som følger.
- Angi Kontroll som KONSTANT, og angi Type som PSTAT, Modus som NORMAL og Område som AUTO for Konfigurasjon. For spenning (V), still inn Ref. som Eref og Verdi som 0.
- For Betingelse-1 for Avkuttet betingelse angir du Element som Trinntid, OP som >=, DeltaValue som 1:00 og Gå til neste som Neste. For div. innstilling trykker du på Sampling-knappen og angir Element som Tid(er), OP som >= og DeltaValue som 30.
- Klikk på Legg til-knappen for å opprette neste trinn.
- Angi Kontroll som SWEEP og for Konfigurasjon angir du Type som PSTAT, Modus som CYCLIC og Område som AUTO. For Innledende (V) og Midtstilt (V) angir du Ref. som Eref, Verdi som 0. For Endelig (V) angir du Ref. som Eref og Verdi som 800,00e-3.
- Bruk spenningsskanningshastigheter på 5, 10, 20, 50 og 100 mV/s. I henhold til hver skannehastighet angir du derfor Scanrate (V/s) som henholdsvis 5.0000e-3, 10.000e-3, 20.000e-3, 50.000e-3 og 100.00e-3.
- For alle skannehastigheter angir du Stilletid(er) som 0 og Segmenter som 21. For Betingelse-1 for Avkuttet betingelse angir du Element som Trinnslutt og Gå til neste som Neste.
- For Diverse-innstillingen trykker du på Sampling-knappen og angir Element som Tid(er) og OP som >=. For hver skannehastighet angir du DeltaValue som 0,9375, 0,5, 0,25, 0,125 og 0,0625.
- Klikk på Lagre som-knappen for å lagre sekvensfilen til CV-testen.
- Klikk på Bruk på CH og kjør sekvensfilen til CV-testen for å få resultatet.
- Generer en sekvens med GCD og kjør den for å få resultatet.
- Kjør programmet for å generere sekvensfilen.
- Klikk på Ny sekvens-knappen .
- Klikk på Legg til-knappen for å generere trinn 1.
- Kontroller om potensialet som vises av potensiostaten er 0 V eller ikke. Hvis potensialet ikke er 0 V, gjør som følger.
- Angi Kontroll som KONSTANT, og angi Type som PSTAT, Modus som NORMAL og Område som AUTO for Konfigurasjon. For spenning (V), sett Ref. som Eref, Verdi som 0.
- For Betingelse-1 for Avkuttet betingelse angir du Element som Trinntid, OP som >=, DeltaValue som 1:00 og Gå til neste som Neste. For Diverse-innstillingen trykker du på Sampling-knappen og angir Element som Tid(er), OP som >=, og DeltaValue som 30.
- Klikk på Legg til-knappen for å opprette neste trinn (Ladetrinn).
- Angi Kontroll som KONSTANT, og angi Type som GSTAT, Modus som NORMAL og Område som AUTO for Konfigurasjon. For Gjeldende (A), sett Ref. som NULL.
- Gjeldende tetthet varierer mellom 0,01 A/g og 0,02 A/g. Sett derfor verdien for gjeldende (A) for hver gjeldende tetthet til 310,26e-6 og 620,52e-6.
- For betingelse-1 av avskåret tilstand sett element som spenning, OP som > =, DeltaValue som 800.00e-3, og Gå neste som neste. For Div. innstilling angir du Element som Tid(er), OP som >= og DeltaValue som 1.
- Klikk på Legg til-knappen for å opprette neste trinn (Utladningstrinn).
MERK: Dette trinnet er angitt på samme måte som ladetrinnet.- Sett Verdien for gjeldende (A) for hver gjeldende tetthet til -310,26e-6 og -620,52e-6.
- For betingelse-1 av avskåret tilstand sett element som spenning, OP som < = , DeltaValue som 0.0000e + 0 og Gå neste som neste. For Div. innstilling angir du Vare som Tid(er) , OP som >= og DeltaValue som 1.
- Klikk på Legg til-knappen for å opprette neste trinn (Loop-trinn).
- Angi Kontroll som LOOP og for KonfigurasjonssettType som Krets og Gjentakelse som 21.
- For Betingelse-1 av Avkuttet betingelse angitt Element på Liste 1 som Gjenta neste. For hver gjeldende tetthet setter du Gå til neste som TRINN-2 for 0,01 A/g og STEP-5 for 0,02 A/g.
- Klikk på Lagre som-knappen for å lagre sekvensfilen til GCD-testen.
- Klikk på Bruk på CH og kjør sekvensfilen til GCD-testen for å få resultatet.
- Generer en sekvens med EIS, og kjør den for å få resultatet.
- Kjør programmet som kan generere sekvensfilen.
- Klikk på Ny sekvens-knappen .
- Klikk på Legg til-knappen for å generere trinn 1.
- Angi Kontroll som KONSTANT og for Konfigurasjon angir du Type som PSTAT, Modus som TIMER STOP og Range som AUTO.
- Ettersom driftspotensialvinduet i denne studien er satt til 0,0 til 0,8 V, for Spenning, sett Verdi til 400,00e-3, som er gjennomsnittsverdien av driftspotensialvinduet. Angi Ref. som eref.
- Klikk på Legg til-knappen for å generere neste trinn.
- Angi Kontroll som EIS og for Konfigurasjon angir du Type som PSTAT, Modus som LOG og Område som AUTO.
- Sett frekvensområdet som 0,1 Hz til 1 MHz. Sett derfor Initial (Hz) og Middle (Hz) til 100.00e+6, og Final (Hz) til 100.00e-3.
- Som nevnt i avsnitt 7.4.3.2, sett Verdi av bias (V) til 400.00e-3, og sett Ref. til Eref.
- For å opprettholde en lineær respons, sett amplituden (Vrms) til 10.000e-3.
- Angi tetthet som 10 og gjentakelse som 1 for dette eksperimentet.
- Klikk på Lagre som-knappen for å lagre sekvensfilen til GCD-testen.
- Klikk på Bruk på CH og kjør sekvensfilen til EIS-testen for å få resultatet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Blekket ble syntetisert i henhold til trinn 2, og egenskapene til blekket kunne bekreftes i henhold til referanse18. Figur 8 viser de strukturelle egenskapene til ledende blekk og EDLC-blekk, samt de reologiske egenskapene til EDLC-blekk rapportert i forrige forskning18. Det ledende blekket er godt sintret for å danne kontinuerlige ledebaner, og nanoskala grovhet forventes å øke kontaktområdet med EDLC-blekket (figur 8A, B). EDLC-blekk fordeles jevnt på makroskopisk skala, men har en svært grov overflateform på mikro- og nanoskalaen, noe som muligens gir et høyt overflateareal og forbedrer energilagringskapasiteten. Alle komponenter er godt spredt, og det finnes ingen synlige elementer som kan forårsake tilstopping under utskrift (figur 8C-F). Figur 8G presenterer tidsutviklingen av den tilsynelatende viskositeten i EDLC-blekket. Viskositetsverdien øker med skråstillingstid og viser ikke viskoelastisk virkemåte. Det indikerer en skråstrek-fortykningsatferd uten stressindusert strukturell forlengelse, strekking eller omorganisering.
En trykt superkondensator ble hentet ved hjelp av gjeldende protokoll (figur 9B). Utskriftskvaliteten anses som god hvis det trykte mønsteret har færre eller ingen feil (sammenlign figur 9B med 9A), minimal overflateruhet og jevn tykkelse. De primære parametrene som påvirker kvaliteten på blekkskrivermetoden er matehastigheten, sparket, trimlengden, antistrengavstanden, det reologiske settpunktet og mykt start/stopp-forholdet. I denne studien ble utskriftsresultatene fra GPE- og EDLC-linjen (eller laget) evaluert basert på utskriftsresultatene til den ledende linjen.
Matehastigheten og XY-aksens reisehastighet under dispensering bestemmer den totale utskriftstiden. De har også en betydelig innvirkning på tykkelsen på linjen og forebygging av avskjæringsproblemer. Alle linjene var ensartede uten synlig frakobling da matehastigheten var minimum (100 mm/min) (figur 10A); Det tok imidlertid lang tid å skrive ut produktet. Den totale utskriftstiden ble derimot redusert når matehastigheten var maksimal (600 mm/min) (figur 10D); Sammenlignet med resultatene som ble trykt med en matehastighet på 500 mm/min (figur 10C), ble imidlertid linjen kuttet av eller sprukket fordi dispenseren beveget seg raskt. En matehastighet på 300 mm/min er funnet å være optimal for riktig utskriftstid og for å forhindre sprekkdannelse (figur 10B). Kick styrer trykket som påføres via stempelets slaglengde i dispenseren. Alle linjene ble koblet fra når sparket var for lavt (minimumsverdien er lik 0,1 mm). Imidlertid skapte høytrykket ved høyt spark (maksimal verdi lik 0, 7 mm) en flaskehals som resulterte i tilstopping av dysen. Derfor er det nødvendig å bruke en passende verdi av spark (0, 35 mm) slik at linjen ikke bryter, og dysen tetter ikke (figur 11).
Trim lengde er maksimal tilbakelagt avstand for en dispensering og har en verdi fra 1 mm til 9999 mm. Skriveren skriver ut grovt og tar lang tid når trimlengden er 1 mm. Derfor må trimlengden justeres basert på den totale lengden på mønsteret. I denne protokollen ble trimlengden satt til 120 mm (figur 12). En streng kan dannes på slutten av dysen fordi vedheft av blekket til dysen er høyere enn vedheft av blekket til substratet basert på blekkets overflateenergi. Den antistrengende avstanden bidrar til å bryte strengen på en sikker måte ved å skyve munnstykket tilbake (figur 13). Det reologiske settpunktet er en parameter som kompenserer for strømningshastigheten for å opprettholde trykket etter dispensering. Utleveringsmengden øker ikke selv etter at du har trykket et mønster når det reologiske settet er på minimumsverdien (0,0). Utleveringsmengden og strømningshastigheten for trykkfargen øker imidlertid når det reologiske settpunktet er på maksimumsverdien (1,0). Videre oppstår tilstopping på grunn av flaskehalseffekten når det reologiske settet er høyt. Det reologiske settpunktet må derfor justeres basert på viskositeten og komprimerbarheten til blekket (figur 14).
Det myke start-/stoppforholdet er en parameter som justerer forskjellen mellom tidspunktet da sparket (trykksettingen) starter og når strømningshastigheten stabiliseres basert på egenskapene til blekket (figur 15). Under eksperimentet for installasjon av programvareparametere er det vanskelig å observere variasjoner i utskrift på grunn av endringene i passeringsrommet og verdien for sporingsgjennomtrengning. Derfor må disse to parametrene løses separat basert på det designede mønsteret. Resultatene av oppsettkontrolleksperimentet er som følger: passavstand, sporinntrengning og trimlengde bør justeres basert på mønsteret som skal skrives ut. Videre bør matehastighet, antistrengavstand, spark, mykt start/stopp-forhold og reologisk settpunkt justeres basert på egenskapene til blekket. Derfor ble programvareparameterverdiene for forskjellige trykkfarger (ledende blekk, EDLC-blekk og GPE-blekk) fastsatt som vist i tabell 1.
Elektrokjemiske data ble innhentet som beskrevet i trinn 7 i protokollen. Figur 16A,B,C presenterer cv-, GCD- og EIS-dataene. Dataene vist i figur 16A ble innhentet gjennom CV-målingen. Den gravimetriske kapasitansen, areal kapasitansen og celleka kapasitansen ble beregnet til henholdsvis 5,74 F/g, 142 mF/cm2 og 178 mF/celle for en skannehastighet på 5 mV/s. GCD-grafer (figur 16B) viser en nesten symmetrisk kurveform, som er egenskapen til EDLC. Eis-grafen (figur 16C) illustrerer dessuten en lav Rs-verdi (5,29 Ω) og ingen Rct-verdi, som er typisk for EDLC.
Figur 1: Interdigitated mønster designet med CAD-program. De to padsene øverst i mønsteret skrives bare ut med en gjeldende samlerblekk. Den store himmelblå firkanten er trykt med en gelpolymerelektrolyttblekk, og de blå linjene er trykt med EDLC-linjeblekk og nåværende samlerblekk. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Bilde av skriverprogramvinduet. (A) Det første skjermbildet i programmet. Den røde pilen viser hvor Skriv ut-knappen er. (B) Det andre skjermbildet i programmet. Den røde pilen viser hvor Enkel-knappen er. (C) Det tredje skjermbildet i programmet. Rød pil viser hvilken blekkfarge som skal velges. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Et skjermbilde som viser hvordan du laster opp Gerber-filen til det designede mønsteret. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Et skjermbilde som viser hvordan du fikser PCB-kortet og monterer proben. (A) Et toppvisningsbilde av blekkskriveren som har PCB-kortet. (B) Bildet sett forfra på blekkskriveren der sonden er montert. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Et skjermbilde som viser hvordan du sjekker sondebevegelsen når mønsterposisjonen endres.
Figur 6: Et skjermbilde som viser hvordan du måler overflatehøyde. Etter å ha klikket på PROBE, går sonden til det angitte stedet på substratet (betegnet med sirkler), og beveger seg deretter ned og opp for å sjekke høyden på substratet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Et skjermbilde som viser hvordan du justerer programvareparametrene og skriver ut eksempelmønsteret. (A) Et skjermbilde som viser prosedyren for å skrive ut et eksempelmønster. Den røde pilen angir knappen for å skrive ut prøvemønsteret, og den gule pilen angir knappen for å kontrollere programvareparametrene for trykkfargene. (B) Et vindu som vises når den gule pilen som vises i (A), trykkes ned. Programvareparametere kan endres ved å endre verdiene som er angitt med 1-pilen. Trykk på 2-pilen for å lagre endringene i programvareparametere. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: SEM-bilde av trykkfargene og utskrevne lag, og EDLC-blekkviskositet. (A,B) SEM-bilder fra øverste visning av gjeldende samler ved (A) lav forstørrelse og (B) høy forstørrelse. (C) Vippet SIDEVISNING SEM-bilde av den trykte EDLC aktive lagfilmen. (D-F) SEM-bilder fra toppvisning av det aktive EDLC-laget med forskjellige forstørrelser. (G) Tilsynelatende viskositet av EDLC blekk versus skjær tid for konstant 0,3 s-1 skjærhastighet eksperiment. Tilpasset med tillatelse fra referanse18. Opphavsrett (2020) American Chemical Society. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 9: Fotografi av de utskrevne resultatene. (A) Utskrift feil bilde; Den røde sirklede delen skrives ut ujevnt på grunn av utskriftsfeil. (B) Fotografi av det ferdigtrykte produktet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 10: Utskriftsresultater som tilsvarer endringen i matehastigheten. (A) 100 mm/min, (B) 300 mm/min, (C) 500 mm/min og (D) 600 mm/min. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 11: Utskriftsresultater som tilsvarer endringene i sparket. (A) 0,1 mm, (B) 0,2 mm, (C) 0,35 mm og (D) 0,7 mm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 12: Utskriftsresultater som tilsvarer endringene i trimlengden. (A) 1,0 mm og (B) 50 mm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 13: Bildene som viser hvordan dispenseren beveger seg ved justering av antistrengavstandsparameteren. (A) Bevegelse av dysen når avstandsverdien for antistrenger er festet til maksimumsverdien (5,0 mm). (B) Fotografi av strenger. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 14: Utskriftsresultater som tilsvarer endringen i den reologiske settpunktendringen. (A) 0 og (B) 1.0. Røde sirkler i (B) viser sprekker (eller hull) forårsaket av tilstoppingseffekten. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 15: Utskriftsresultater som tilsvarer endringen i soft start/soft stop-forholdet. Med klokken-rotasjonen av saften (rød pil) angir starten på utskriften. (A) Myk start maksimumsverdi og soft stop minimumsverdi, samt (B) myk start minimumsverdi og soft stop maksimumsverdi. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 16: De elektrokjemiske testresultatene til den trykte superkondensatoren. (A) CV, (B) GCD og (C) EIS-grafer. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Parameter | Ledende blekk | EDLC-blekk | GPE-blekk |
| Avstand mellom pasninger (mm) | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
| Dispenser høyde (mm) | 0.12 | 0.14 | 0.16 |
| Matehastighet (mm/min) | 500 | 300 | 300 |
| Trim lengde (mm) | 120 | 120 | 120 |
| Sporgjennomtrengning (mm) | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
| Avstand mot strenger (mm) | 0.4 | 0.7 | 0.1 |
| Spark (mm) | 0.35 | 0.3 | 0.4 |
| Mykt startforhold | 0.1 | 0.8 | 0.8 |
| Mykt stoppforhold | 0.15 | 0.1 | 0.15 |
| Rheologisk settpunkt | 0.16 | 0.2 | 0.16 |
Tabell 1. De optimaliserte programvareparametrene for ledende blekk, EDLC-blekk og GPE-blekk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De kritiske trinnene i denne protokollen er involvert i programvareparameteroppsettet for å skrive ut det utformede mønsteret ved å finjustere parameterverdiene. Tilpasset utskrift kan føre til strukturell optimalisering og oppnå nye mekaniske egenskaper19. Blekkskrivermetoden med programvareparameterkontroll kan brukes til avansert utskrift i ulike bransjer ved å velge det optimaliserte materialet for utskriftsprosessen.
I fabrikasjonen av superkondensatorer ved hjelp av blekkskrivere rapporterte ett papir at det fortsatt er en grense for å utvikle et mønster med jevn og høy oppløsning. Det har blitt rapportert at høytemperatur etter behandling fortsatt er nødvendig, og optimaliseringsprosessen av materialet er uunnværlig20. Et annet papir rapporterte at for å bruke blekkskriverutskrift riktig, er det nødvendig å justere viskositeten og overflatespenningen i et relativt smalt område som avhenger av skriveren. Til dette formål er konsentrasjonen av blekkets aktive materiale begrenset. I noen tilfeller har det blitt bemerket at flere utskrifter er nødvendige for å deponere tilstrekkelig mengde materiale21. I tråd med denne trenden kan denne protokollen hjelpe forskere med å implementere mønstre med høyere oppløsning ved å tilby presise metoder for håndtering av blekkskrivere. I tillegg, med mestring over programvarekontroll, kan man forenkle produksjonsprosessen ved å justere programvareparametrene som Feed rate og Kick uten å måtte skrive ut flere ganger for å sette inn nok materiale.
Programvareparameterkontroll for presis utskrift kan gjøres i henhold til den presenterte protokollen. Noen flaskehalser bør imidlertid adresseres for å forbedre ytelsen til enheten basert på utskriftsmetoden. Ulike problemer, for eksempel blekkspredning og tilstoppingseffekt, krever optimalisering av egenskapene til selve blekket sammen med justering av programvareparameterverdier22. De to viktigste egenskapene til blekket er viskositet og overflatespenning23. Derfor må viskositeten24 og overflatespenningen25 av blekket måles og kontrolleres for optimalisering. For å forbedre ytelsen er det også viktig å forstå egenskapene til blekkene fullt ut og å velge materialer med passende forhold.
Oppsummert er det etablert en protokoll her for å bruke blekkskriverutskrift for utskrift av en superkondensatorenhet. Her er det gitt en drøfting av programvareparametere som kontrollerer blekkskriveren som en nyttig veiledning for håndtering og optimalisering av avanserte utskriftsprosesser. Videre fremgang innen utskrift av bærbare enheter for energilagring, fleksible sensorer og luftfartsindustrien kan oppnås gjennom optimalisering av blekkmateriale.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingen avsløringer.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av Korea Electric Power Corporation (Tilskuddsnummer: R21XO01-24), Kompetanseutviklingsprogrammet for industrispesialister i det koreanske MOTIE drevet av KIAT (Nr. P0012453) og Chung-Ang University Graduate Research Scholarship 2021.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2” x 3” FR4 board | Voltera | SKU: 1000066 | PCB substrate |
| Activated carbon | MTI | Np-Ag-0530HT | |
| Eagle CAD | Autodesk | PCB CAD program | |
| Ethyl cellulose | Sigma Aldrich | 46070 | 48.0-49.5% (w/w) ethoxyl basis |
| Flex 2 conductive ink | Voltera | SKU: 1000333 | Flexible Ag ink |
| Lithium perchlorate | Sigma Aldrich | 634565 | |
| Propylene carbonate | Sigma Aldrich | 310328 | |
| PVDF | Sigma Aldrich | 182702 | average Mw ~534,000 by GPC |
| Smart Manager | ZIVE LAB | ver : 6. 6. 8. 9 | Electrochemical analysis program |
| Super-P | Hyundai | ||
| Terpineol | Sigma Aldrich | 432628 | |
| Thinky mixer | Thinky | ARE-310 | Planetary mixer |
| Triton-X | Sigma Aldrich | X100 | |
| V-One printer | Voltera | SKU: 1000329 | PCB printer |
| ZIVE SP1 | Wonatech | Potentiostat device |
References
- Valentine, A. D., et al. Hybrid 3D printing of soft electronics. Advanced Materials. 29 (40), 1703817 (2017).
- Liang, K., Carmone, S., Brambilla, D., Leroux, J. -C. 3D printing of a wearable personalized oral delivery device: A first-in-human study. Science Advances. 4 (5), (2018).
- Joshi, S. C., Sheikh, A. A. 3D printing in aerospace and its long-term sustainability. Virtual and Physical Prototyping. 10 (4), 175-185 (2015).
- Wang, S., et al. Paper-based chemiluminescence ELISA: Lab-on-paper based on chitosan modified paper device and wax-screen-printing. Biosensors and Bioelectronics. 31 (1), 212-218 (2012).
- Vohra, V., et al. Low-cost and green fabrication of polymer electronic devices by push-coating of the polymer active layers. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (30), 25434-25444 (2017).
- Schüffelgen, P., et al. Selective area growth and stencil lithography for in situ fabricated quantum devices. Nature Nanotechnology. 14 (9), 825-831 (2019).
- Karim, N., Afroj, S., Tan, S., Novoselov, K. S., Yeates, S. G. All inkjet-printed graphene-silver composite ink on textiles for highly conductive wearable electronics applications. Scientific Reports. 9 (1), 8035 (2019).
- Singh, M., Haverinen, H. M., Dhagat, P., Jabbour, G. E. Inkjet printing-Process and its applications. Advanced Materials. 22 (6), 673-685 (2010).
- An, B., et al. Three-dimensional multi-recognition flexible wearable sensor via graphene aerogel printing. Chemical Communications. 52 (73), 10948-10951 (2016).
- Ko, S. H., Chung, J., Hotz, N., Nam, K. H., Grigoropoulos, C. P. Metal nanoparticle direct inkjet printing for low-temperature 3D micro metal structure fabrication. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20 (12), 125010 (2010).
- Li, J., et al.
- Burke, A. Ultracapacitors: why, how, where is the technology. Journal of Power Sources. 91 (1), 37-50 (2000).
- Qorbani, M., Khajehdehi, O., Sabbah, A., Naseri, N. Ti-rich TiO2 tubular nanolettuces by electrochemical anodization for all-solid-state high-rate supercapacitor devices. ChemSusChem. 12 (17), 4064-4073 (2019).
- Areir, M., Xu, Y., Harrison, D., Fyson, J. 3D printing of highly flexible supercapacitor designed for wearable energy storage. Materials Science and Engineering: B. 226, 29-38 (2017).
- Fialkov, A. S. Carbon application in chemical power sources. Russian Journal of Electrochemistry. 36 (4), 345-366 (2000).
- Pandolfo, A. G., Hollenkamp, A. F. Carbon properties and their role in supercapacitors. Journal of Power Sources. 157 (1), 11-27 (2006).
- Egorov, V., Gulzar, U., Zhang, Y., Breen, S., O'Dwyer, C. Evolution of 3D printing methods and materials for electrochemical energy storage. Advanced Materials. 32 (29), 2000556 (2020).
- Seol, M. -L., et al. All-printed in-plane supercapacitors by sequential additive manufacturing process. ACS Applied Energy Materials. 3 (5), 4965-4973 (2020).
- Park, S. H., Kaur, M., Yun, D., Kim, W. S. Hierarchically designed electron paths in 3D printed energy storage devices. Langmuir. 34 (37), 10897-10904 (2018).
- Sajedi-Moghaddam, A., Rahmanian, E., Naseri, N. Inkjet-printing technology for supercapacitor application: Current state and perspectives. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (31), 34487-34504 (2020).
- Komuro, N., Takaki, S., Suzuki, K., Citterio, D. Inkjet printed (bio)chemical sensing devices. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 405 (17), 5785-5805 (2013).
- Kim, J., Kumar, R., Bandodkar, A. J., Wang, J. Advanced materials for printed wearable electrochemical devices: A review. Advanced Electronic Materials. 3 (1), 1600260 (2017).
- Calvert, P. Inkjet printing for materials and devices. Chemistry of Materials. 13 (10), 3299-3305 (2001).
- Zhou, Z., et al. High-throughput characterization of fluid properties to predict droplet ejection for three-dimensional inkjet printing formulations. Additive Manufacturing. 29, 100792 (2019).
- Ebnesajjad, S. Handbook of Adhesives and Surface Preparation. Ebnesajjad, S. , William Andrew Publishing. 21-30 (2011).
