Çip Tabanlı Süper Kapasitörlerin Üretimi için Mürekkep Püskürtmeli Yazıcının Ayrıntılı Kontrolü
Summary
Bu kağıt, mürekkep püskürtmeli yazıcı kullanarak çip tabanlı süper kapasitörler üretmek için bir teknik sağlar. Mürekkepleri sentezlemek, yazılım parametrelerini ayarlamak ve üretilen süper kapasitörün elektrokimyasal sonuçlarını analiz etmek için metodolojiler ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.
Abstract
Giyilebilir cihazların, ekranların ve enerji depolama cihazlarının üretimi için mürekkep püskürtmeli baskı yöntemini uygulamak için çeşitli alanlarda muazzam çabalar vardır. Bununla birlikte, yüksek kaliteli ürünler elde etmek için, mürekkep malzemelerinin fiziksel özelliklerine bağlı olarak gelişmiş çalışma becerileri gereklidir. Bu bağlamda, mürekkep püskürtmeli baskı parametrelerini optimize etmek, mürekkep malzemelerinin fiziksel özelliklerini geliştirmek kadar önemlidir. Bu çalışmada, bir süper kapasitörün üretimi için inkjet baskı yazılımı parametrelerinin optimizasyonu sunulmuştur. Süper kapasitörler, yüksek güç yoğunluğu, uzun ömürleri ve güç kaynağı olarak çeşitli uygulamaları nedeniyle çekici enerji depolama sistemleridir. Süper kapasitörler Nesnelerin İnterneti (IoT), akıllı telefonlar, giyilebilir cihazlar, elektrikli araçlar (EV’ler), büyük enerji depolama sistemleri vb. Yerlerde kullanılabilir. Geniş uygulama yelpazesi, çeşitli ölçeklerde cihazlar üretebilen yeni bir yöntem gerektirmektedir. Mürekkep püskürtmeli baskı yöntemi, geleneksel sabit boyutlu üretim yöntemini kırabilir.
Introduction
Geçtiğimiz on yıllarda, giyilebilir cihazlar1, farmasötikler2 ve havacılık bileşenleri3 dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için birden fazla baskı yöntemi geliştirilmiştir. Baskı, sadece kullanılacak malzemeleri değiştirerek çeşitli cihazlar için kolayca uyarlanabilir. Ayrıca hammadde israfını da önler. Elektronik aygıtların üretimi için serigrafi4, push-coating5 ve litografi6 gibi çeşitli baskı yöntemleri geliştirilmiştir. Bu baskı teknolojileriyle karşılaştırıldığında, mürekkep püskürtmeli baskı yönteminin malzeme israfının azaltılması, birden fazla alt tabakayla uyumluluk7, düşük maliyetli8, esneklik9, düşük sıcaklıkta işleme10 ve seri üretim kolaylığı11 gibi birçok avantajı vardır. Bununla birlikte, mürekkep püskürtmeli baskı yönteminin uygulanması, bazı sofistike cihazlar için pek önerilmemiştir. Burada, bir süper kapasitör cihazı yazdırmak için mürekkep püskürtmeli baskı yöntemini kullanmak için ayrıntılı yönergeler oluşturan bir protokol sunuyoruz.
Psödokapasitörler ve elektrokimyasal çift katmanlı kapasitörler (EDLC’ler) dahil olmak üzere süper kapasitörler, geleneksel lityum-iyon pilleri tamamlayabilen enerji depolama cihazları olarak ortaya çıkmaktadır12,13. Özellikle EDLC, düşük maliyeti, yüksek güç yoğunluğu ve uzun çevrim ömrü nedeniyle gelecek vaat eden bir enerji depolama cihazıdır14. Yüksek özgül yüzey alanına ve iletkenliğe sahip aktif karbon (AC), ticari EDLC’lerde elektrot malzemesi olarak kullanılır15. AC’nin bu özellikleri, EDLC’lerin yüksek elektrokimyasal kapasitansa sahip olmasını sağlar16. EDLC’ler, geleneksel sabit boyutlu imalat yöntemi kullanıldığında cihazlarda pasif hacme sahiptir. Mürekkep püskürtmeli baskı ile, EDLC’ler ürün tasarımına tamamen entegre edilebilir. Bu nedenle, mürekkep püskürtmeli baskı yöntemi kullanılarak üretilen cihaz, işlevsel olarak mevcut sabit boyutlu metodolojiler tarafından üretilenden daha iyidir17. EDLC’lerin verimli mürekkep püskürtmeli baskı yöntemi kullanılarak üretilmesi, EDLC’lerin kararlılığını ve ömrünü en üst düzeye çıkarır ve serbest form faktörü sağlar18. Baskı desenleri bir PCB CAD programı kullanılarak tasarlandı ve Gerber dosyalarına dönüştürüldü. Tasarlanan desenler bir mürekkep püskürtmeli yazıcı kullanılarak basılmıştır, çünkü hassas yazılım etkin kontrole, yüksek malzeme verimine ve baskı kararlılığına sahiptir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokoldeki kritik adımlar, parametre değerlerini hassas bir şekilde ayarlayarak tasarlanan deseni yazdırmak için yazılım parametre kurulumunda yer alır. Özelleştirilmiş baskı, yapısal optimizasyona ve yeni mekanik özelliklerin elde edilmesine yol açabilir19. Yazılım parametre kontrolüne sahip mürekkep püskürtmeli baskı yöntemi, baskı işlemi için optimize edilmiş malzemeyi seçerek çeşitli endüstrilerde sofistike baskı için kullanılabilir.
<p class="jove_co…Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Kore Elektrik Enerjisi Şirketi (Hibe numarası: R21XO01-24), KIAT tarafından işletilen Kore MOTIE Endüstri Uzmanları için Yetkinlik Geliştirme Programı (No. P0012453) ve Chung-Ang Üniversitesi Lisansüstü Araştırma Bursu 2021.
Materials
| 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. Efficient inkjet printing of graphene. Advanced Materials. 25 (29), 3985-3992 (2013).
- 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., Ebnesajjad, S. . Handbook of Adhesives and Surface Preparation. , 21-30 (2011).
