Contrôle élaboré de l’imprimante à jet d’encre pour la fabrication de supercondensateurs à base de puce
Summary
Ce document fournit une technique de fabrication de supercondensateurs à base de puces à l’aide d’une imprimante à jet d’encre. Les méthodologies sont décrites en détail pour synthétiser les encres, ajuster les paramètres logiciels et analyser les résultats électrochimiques du supercondensateur fabriqué.
Abstract
Il y a des efforts énormes dans divers domaines pour appliquer la méthode d’impression à jet d’encre pour la fabrication de dispositifs portables, d’écrans et de dispositifs de stockage d’énergie. Pour obtenir des produits de haute qualité, cependant, des compétences opérationnelles sophistiquées sont nécessaires en fonction des propriétés physiques des matériaux d’encre. À cet égard, l’optimisation des paramètres d’impression à jet d’encre est aussi importante que le développement des propriétés physiques des matériaux d’encre. Dans cette étude, l’optimisation des paramètres du logiciel d’impression à jet d’encre est présentée pour la fabrication d’un supercondensateur. Les supercondensateurs sont des systèmes de stockage d’énergie attrayants en raison de leur densité de puissance élevée, de leur longue durée de vie et de leurs diverses applications en tant que sources d’alimentation. Les supercondensateurs peuvent être utilisés dans l’Internet des objets (IoT), les smartphones, les appareils portables, les véhicules électriques (VE), les grands systèmes de stockage d’énergie, etc. Le large éventail d’applications exige une nouvelle méthode capable de fabriquer des appareils à différentes échelles. La méthode d’impression à jet d’encre peut briser la méthode de fabrication conventionnelle à taille fixe.
Introduction
Au cours des dernières décennies, de multiples méthodes d’impression ont été développées pour diverses applications, notamment des dispositifs portables1, des produits pharmaceutiques2 et des composants aérospatiaux3. L’impression peut être facilement adaptée à divers appareils en changeant simplement les matériaux à utiliser. De plus, il empêche le gaspillage de matières premières. Pour fabriquer des appareils électroniques, plusieurs méthodes d’impression telles que la sérigraphie4, le push-coating5 et la lithographie6 ont été développées. Par rapport à ces technologies d’impression, la méthode d’impression à jet d’encre présente de multiples avantages, notamment la réduction du gaspillage de matériaux, la compatibilité avec plusieurs substrats7, le faible coût8, la flexibilité9, le traitement à basse température10 et la facilité de production de masse11. Cependant, l’application de la méthode d’impression à jet d’encre n’a guère été suggérée pour certains appareils sophistiqués. Ici, nous présentons un protocole établissant des directives détaillées pour utiliser la méthode d’impression à jet d’encre pour l’impression d’un dispositif de supercondensateur.
Les supercondensateurs, y compris les pseudocondensateurs et les condensateurs électrochimiques à double couche (EDLC), émergent comme des dispositifs de stockage d’énergie pouvant compléter les batteries lithium-ion conventionnelles12,13. En particulier, EDLC est un dispositif de stockage d’énergie prometteur en raison de son faible coût, de sa densité de puissance élevée et de sa longue durée de vie14. Le charbon actif (CA), ayant une surface et une conductivité spécifiques élevées, est utilisé comme matériau d’électrode dans les EDLC commerciaux15. Ces propriétés du courant alternatif permettent aux EDLC d’avoir une capacité électrochimique élevée16. Les EDLC ont le volume passif dans les dispositifs lorsque la méthode de fabrication conventionnelle à taille fixe est utilisée. Avec l’impression à jet d’encre, les EDLC peuvent être entièrement intégrés dans la conception du produit. Par conséquent, le dispositif fabriqué à l’aide de la méthode d’impression à jet d’encre est fonctionnellement meilleur que celui fabriqué par les méthodologies de taille fixe existantes17. La fabrication d’EDLC à l’aide de la méthode d’impression à jet d’encre efficace maximise la stabilité et la longévité des EDLC et fournit un facteur de forme libre18. Les motifs d’impression ont été conçus à l’aide d’un programme de CAO PCB et convertis en fichiers Gerber. Les motifs conçus ont été imprimés à l’aide d’une imprimante à jet d’encre car elle offre un contrôle logiciel précis, un débit de matériau élevé et une stabilité d’impression.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les étapes critiques de ce protocole sont impliquées dans la configuration des paramètres logiciels pour imprimer le modèle conçu en ajustant finement les valeurs des paramètres. L’impression personnalisée peut conduire à l’optimisation structurelle et à l’obtention de nouvelles propriétés mécaniques19. La méthode d’impression à jet d’encre avec contrôle logiciel des paramètres peut être utilisée pour une impression sophistiquée dans diverses industries en sélectionna…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la Korea Electric Power Corporation (numéro de subvention: R21XO01-24), le programme de développement des compétences pour les spécialistes de l’industrie du MOTIE coréen exploité par KIAT (No. P0012453), et la bourse de recherche supérieure de l’Université Chung-Ang 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 |
Riferimenti
- 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).
