Aufwändige Steuerung von Tintenstrahldruckern zur Herstellung von chipbasierten Superkondensatoren
Summary
Dieses Papier bietet eine Technik zur Herstellung von chipbasierten Superkondensatoren mit einem Tintenstrahldrucker. Die Methoden werden detailliert beschrieben, um Tinten zu synthetisieren, Softwareparameter anzupassen und die elektrochemischen Ergebnisse des hergestellten Superkondensators zu analysieren.
Abstract
Es gibt enorme Anstrengungen in verschiedenen Bereichen, um das Inkjet-Druckverfahren für die Herstellung von tragbaren Geräten, Displays und Energiespeichern anzuwenden. Um qualitativ hochwertige Produkte zu erhalten, sind jedoch je nach physikalischen Eigenschaften der Tintenmaterialien ausgefeilte Bedienfähigkeiten erforderlich. In diesem Zusammenhang ist die Optimierung der Inkjet-Druckparameter ebenso wichtig wie die Entwicklung der physikalischen Eigenschaften der Tintenmaterialien. In dieser Studie wird die Optimierung der Parameter der Inkjet-Drucksoftware für die Herstellung eines Superkondensators vorgestellt. Superkondensatoren sind aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte, langen Lebensdauer und verschiedener Anwendungen als Stromquellen attraktive Energiespeichersysteme. Superkondensatoren können im Internet der Dinge (IoT), Smartphones, tragbaren Geräten, Elektrofahrzeugen (EVs), großen Energiespeichersystemen usw. eingesetzt werden. Das breite Anwendungsspektrum erfordert eine neue Methode, mit der Geräte in verschiedenen Größenordnungen hergestellt werden können. Das Inkjet-Druckverfahren kann das herkömmliche Fertigungsverfahren mit fester Größe durchbrechen.
Introduction
In den letzten Jahrzehnten wurden mehrere Druckverfahren für verschiedene Anwendungen entwickelt, darunter tragbare Geräte1, Pharmazeutika2 und Luft- und Raumfahrtkomponenten3. Der Druck kann leicht für verschiedene Geräte angepasst werden, indem einfach die zu verwendenden Materialien geändert werden. Darüber hinaus verhindert es die Verschwendung von Rohstoffen. Zur Herstellung elektronischer Geräte wurden verschiedene Druckverfahren wie Siebdruck4, Push-Coating5 und Lithographie6 entwickelt. Im Vergleich zu diesen Drucktechnologien bietet das Inkjet-Druckverfahren mehrere Vorteile, darunter weniger Materialverschwendung, Kompatibilität mit mehreren Substraten7, niedrige Kosten8, Flexibilität9, Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen10 und einfache Massenproduktion11. Die Anwendung des Inkjet-Druckverfahrens wurde jedoch für bestimmte anspruchsvolle Geräte kaum vorgeschlagen. Hier stellen wir ein Protokoll vor, das detaillierte Richtlinien für die Verwendung des Inkjet-Druckverfahrens zum Drucken eines Superkondensatorgeräts festlegt.
Superkondensatoren, einschließlich Pseudokondensatoren und elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs), entwickeln sich zu Energiespeichern, die herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien ergänzen können12,13. Insbesondere EDLC ist aufgrund seiner niedrigen Kosten, seiner hohen Leistungsdichte und seiner langen Lebensdauer ein vielversprechender Energiespeicher14. Aktivkohle (AC) mit hoher spezifischer Oberfläche und Leitfähigkeit wird als Elektrodenmaterial in kommerziellen EDLCs verwendet15. Diese Eigenschaften von AC ermöglichen es EDLCs, eine hohe elektrochemische Kapazität zu haben16. EDLCs haben das passive Volumen in Geräten, wenn das herkömmliche Herstellungsverfahren mit fester Größe verwendet wird. Mit dem Inkjet-Druck können die EDLCs vollständig in das Produktdesign integriert werden. Daher ist das mit dem Tintenstrahldruckverfahren hergestellte Gerät funktionell besser als das nach bestehenden Methoden fester Größe17 hergestellte Gerät. Die Herstellung von EDLCs mit dem effizienten Inkjet-Druckverfahren maximiert die Stabilität und Langlebigkeit von EDLCs und bietet einen Freiformfaktor18. Die Druckmuster wurden mit einem PCB-CAD-Programm entworfen und in Gerber-Dateien konvertiert. Die entworfenen Muster wurden mit einem Tintenstrahldrucker gedruckt, da er eine präzise softwaregestützte Steuerung, einen hohen Materialdurchsatz und eine Druckstabilität bietet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die kritischen Schritte in diesem Protokoll sind an der Einrichtung der Softwareparameter beteiligt, um das entworfene Muster durch feine Anpassung der Parameterwerte zu drucken. Kundenspezifisches Drucken kann zur strukturellen Optimierung und zur Erlangung neuer mechanischer Eigenschaften führen19. Das Inkjet-Druckverfahren mit Software-Parametersteuerung kann für anspruchsvolles Drucken in verschiedenen Branchen eingesetzt werden, indem das für den Druckprozess optimierte Material ausgewähl…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde unterstützt von der Korea Electric Power Corporation (Förderkennzeichen: R21XO01-24), dem von KIAT betriebenen Kompetenzentwicklungsprogramm für Branchenspezialisten des koreanischen MOTIE (Nr. P0012453) und das Chung-Ang University Graduate Research Scholarship 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 |
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