Dette papir giver en teknik til fremstilling af chipbaserede superkondensatorer ved hjælp af en inkjetprinter. Metoder beskrives detaljeret for at syntetisere blæk, justere softwareparametre og analysere de elektrokemiske resultater af den fremstillede superkondensator.
Der er en enorm indsats på forskellige områder for at anvende inkjetudskrivningsmetoden til fremstilling af bærbare enheder, skærme og energilagringsenheder. For at få produkter af høj kvalitet kræves der imidlertid sofistikerede driftsfærdigheder afhængigt af blækmaterialernes fysiske egenskaber. I den forbindelse er optimering af inkjetudskrivningsparametrene lige så vigtig som at udvikle blækmaterialernes fysiske egenskaber. I denne undersøgelse præsenteres optimering af parametrene for inkjetudskrivningssoftware til fremstilling af en superkondensator. Superkondensatorer er attraktive energilagringssystemer på grund af deres høje effekttæthed, lange levetid og forskellige anvendelser som strømkilder. Superkondensatorer kan bruges i tingenes internet (IoT), smartphones, bærbare enheder, elektriske køretøjer (ELBILER), store energilagringssystemer osv. Den brede vifte af applikationer kræver en ny metode, der kan fremstille enheder i forskellige skalaer. Inkjetudskrivningsmetoden kan bryde igennem den konventionelle fabrikationsmetode i fast størrelse.
I de seneste årtier er der udviklet flere udskrivningsmetoder til forskellige applikationer, herunder bærbare enheder1, lægemidler2 og rumfartskomponenter3. Udskrivningen kan let tilpasses til forskellige enheder ved blot at ændre de materialer, der skal bruges. Desuden forhindrer det spild af råvarer. Til fremstilling af elektroniske enheder er der udviklet flere trykmetoder såsom serigrafi4, push-coating5 og litografi6. Sammenlignet med disse udskrivningsteknologier har inkjetudskrivningsmetoden flere fordele, herunder reduceret materialespild, kompatibilitet med flere substrater7, lave omkostninger8, fleksibilitet9, lavtemperaturbehandling10 og nem masseproduktion11. Anvendelsen af inkjetudskrivningsmetoden er imidlertid næppe blevet foreslået for visse sofistikerede enheder. Her præsenterer vi en protokol, der fastlægger detaljerede retningslinjer for brug af inkjetudskrivningsmetoden til udskrivning af en superkondensatorenhed.
Superkondensatorer, herunder pseudokondensatorer og elektrokemiske dobbeltlagskondensatorer (EDLC’er), fremstår som energilagringsenheder, der kan supplere konventionelle lithium-ion-batterier12,13. Især EDLC er en lovende energilagringsenhed på grund af dens lave omkostninger, høje effekttæthed og lange cykluslevetid14. Aktivt kul (AC), der har højt specifikt overfladeareal og ledningsevne, anvendes som elektrodemateriale i kommercielle EDLC’er15. Disse egenskaber ved VEKselstrøm gør det muligt for EDLC’er at have en høj elektrokemisk kapacitans16. EDLC’er har det passive volumen i enheder, når den konventionelle fremstillingsmetode i fast størrelse anvendes. Med inkjetudskrivning kan EDLC’erne integreres fuldt ud i produktdesignet. Derfor er den enhed, der er fremstillet ved hjælp af inkjetudskrivningsmetoden, funktionelt bedre end den, der er fremstillet af eksisterende metoder med fast størrelse17. Fremstillingen af EDLC’er ved hjælp af den effektive inkjetudskrivningsmetode maksimerer stabiliteten og levetiden for EDLC’er og giver en fri formfaktor18. Udskrivningsmønstrene blev designet ved hjælp af et PCB CAD-program og konverteret til Gerber-filer. De designede mønstre blev udskrevet ved hjælp af en inkjetprinter, fordi den har præcis softwareaktiveret kontrol, høj materialegennemstrømning og udskrivningsstabilitet.
De kritiske trin i denne protokol er involveret i opsætningen af softwareparameteren for at udskrive det designede mønster ved at finjustere parameterværdierne. Tilpasset udskrivning kan føre til strukturel optimering og opnåelse af nye mekaniske egenskaber19. Inkjetudskrivningsmetoden med softwareparameterstyring kan bruges til sofistikeret udskrivning i forskellige brancher ved at vælge det optimerede materiale til udskrivningsprocessen.
Ved fremstilling af supe…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af Korea Electric Power Corporation (tilskudsnummer: R21XO01-24), kompetenceudviklingsprogrammet for industrispecialister fra den koreanske MOTIE, der drives af KIAT (nr. P0012453) og Chung-Ang University Graduate Research Scholarship 2021.
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 |