Controle elaborado da impressora a jato de tinta para fabricação de supercapacitores baseados em chips
Summary
Este artigo fornece uma técnica para a fabricação de supercapacitores à base de chip usando uma impressora a jato de tinta. As metodologias são descritas detalhadamente para sintetizar tintas, ajustar parâmetros de software e analisar os resultados eletroquímicos do supercapacitor fabricado.
Abstract
Há enormes esforços em vários campos para aplicar o método de impressão a jato de tinta para a fabricação de dispositivos vestíveis, displays e dispositivos de armazenamento de energia. Para obter produtos de alta qualidade, no entanto, habilidades de operação sofisticadas são necessárias dependendo das propriedades físicas dos materiais de tinta. Nesse sentido, otimizar os parâmetros de impressão do jato de tinta é tão importante quanto desenvolver as propriedades físicas dos materiais de tinta. Neste estudo, é apresentada a otimização dos parâmetros do software de impressão a jato de tinta para a fabricação de um supercapacitor. Supercapacitores são sistemas atraentes de armazenamento de energia devido à sua alta densidade de energia, vida útil longa e várias aplicações como fontes de energia. Supercapacitores podem ser usados na Internet das Coisas (IoT), smartphones, dispositivos vestíveis, veículos elétricos (EVs), grandes sistemas de armazenamento de energia, etc. A ampla gama de aplicações exige um novo método que pode fabricar dispositivos em várias escalas. O método de impressão a jato de tinta pode romper o método convencional de fabricação de tamanho fixo.
Introduction
Nas últimas décadas, vários métodos de impressão foram desenvolvidos para várias aplicações, incluindo dispositivos vestíveis1, farmacêuticos2 e componentes aeroespaciais3. A impressão pode ser facilmente adaptada para vários dispositivos, simplesmente alterando os materiais a serem usados. Além disso, evita o desperdício de matérias-primas. Para a fabricação de dispositivos eletrônicos, vários métodos de impressão, como impressão de tela4, push-coating5 e litografia6 foram desenvolvidos. Em comparação com essas tecnologias de impressão, o método de impressão a jato de tinta tem múltiplas vantagens, incluindo redução do desperdício de material, compatibilidade com múltiplos substratos7, low cost8, flexibilidade9, processamento de baixa temperatura10 e facilidade de produção em massa11. No entanto, a aplicação do método de impressão a jato de tinta dificilmente foi sugerida para certos dispositivos sofisticados. Aqui, apresentamos um protocolo estabelecendo diretrizes detalhadas para usar o método de impressão a jato de tinta para imprimir um dispositivo supercapacitor.
Supercapacitores, incluindo pseudocapacitores e capacitores eletroquímicos de dupla camada (EDLCs), estão surgindo como dispositivos de armazenamento de energia que podem complementar as baterias convencionais de íons de lítio12,13. Especialmente, o EDLC é um dispositivo promissor de armazenamento de energia devido ao seu baixo custo, alta densidade de energia e longa vida útil14. O carbono ativado (AC), com alta área de superfície específica e condutividade, é usado como material eletrodo em EDLCs comerciais15. Essas propriedades de AC permitem que os EDLCs tenham uma alta capacitância eletroquímica16. Os EDLCs têm o volume passivo nos dispositivos quando o método convencional de fabricação de tamanho fixo é usado. Com a impressão a jato de tinta, os EDLCs podem ser totalmente integrados ao design do produto. Portanto, o dispositivo fabricado usando o método de impressão a jato de tinta é funcionalmente melhor do que o fabricado pelas metodologias de tamanho fixo existentes17. A fabricação de EDLCs utilizando o método eficiente de impressão a jato de tinta maximiza a estabilidade e a longevidade dos EDLCs e fornece um fator de forma livre18. Os padrões de impressão foram projetados usando um programa PCB CAD e convertidos em arquivos Gerber. Os padrões projetados foram impressos usando uma impressora a jato de tinta porque tem controle preciso habilitado para software, alto rendimento de material e estabilidade de impressão.
Protocol
Representative Results
Discussion
As etapas críticas deste protocolo estão envolvidas na configuração do parâmetro de software para imprimir o padrão projetado, ajustando finamente os valores dos parâmetros. A impressão personalizada pode levar à otimização estrutural e à obtenção de novas propriedades mecânicas19. O método de impressão a jato de tinta com controle de parâmetro de software pode ser usado para impressão sofisticada em diversos setores, selecionando o material otimizado para o processo de impress?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela Korea Electric Power Corporation (número de concessão: R21XO01-24), o Programa de Desenvolvimento de Competência para Especialistas da Indústria da MOTIE coreana operado pela KIAT (No. P0012453), e a Bolsa de Pós-Graduação em Pesquisa da Universidade 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 |
Referências
- 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).
