Сложное управление струйным принтером для изготовления суперконденсаторов на основе чипов
Summary
В этой статье представлена методика изготовления суперконденсаторов на основе чипов с использованием струйного принтера. Подробно описаны методики синтеза чернил, корректировки параметров программного обеспечения, анализа электрохимических результатов изготовления суперконденсатора.
Abstract
В различных областях предпринимаются огромные усилия по применению метода струйной печати для изготовления носимых устройств, дисплеев и накопителей энергии. Однако для получения высококачественной продукции требуются сложные навыки работы в зависимости от физических свойств чернильных материалов. В связи с этим оптимизация параметров струйной печати так же важна, как и развитие физических свойств чернильных материалов. В данном исследовании представлена оптимизация параметров программного обеспечения струйной печати для изготовления суперконденсатора. Суперконденсаторы являются привлекательными системами хранения энергии из-за их высокой плотности мощности, длительного срока службы и различных применений в качестве источников питания. Суперконденсаторы могут использоваться в Интернете вещей (IoT), смартфонах, носимых устройствах, электромобилях (EV), больших системах хранения энергии и т. Д. Широкий спектр применений требует нового метода, который может изготавливать устройства в различных масштабах. Метод струйной печати может прорваться через обычный метод изготовления фиксированного размера.
Introduction
В последние десятилетия было разработано несколько методов печати для различных применений, включая носимые устройства1, фармацевтические препараты2 и аэрокосмические компоненты3. Печать может быть легко адаптирована для различных устройств, просто изменяя используемые материалы. Кроме того, это предотвращает потерю сырья. Для производства электронных устройств было разработано несколько методов печати, таких как трафаретная печать4, push-coating5 и литография6 . По сравнению с этими технологиями печати метод струйной печати имеет множество преимуществ, включая сокращение отходов материала, совместимость с несколькими подложками7, низкую стоимость8, гибкость9, низкотемпературную обработку10 и простоту массового производства11. Однако применение метода струйной печати вряд ли было предложено для некоторых сложных устройств. Здесь мы представляем протокол, устанавливающий подробные рекомендации по использованию метода струйной печати для печати суперконденсаторного устройства.
Суперконденсаторы, включая псевдоконденсаторы и электрохимические двухслойные конденсаторы (EDLC), становятся накопителями энергии, которые могут дополнять обычные литий-ионные батареи12,13. В частности, EDLC является перспективным накопителем энергии из-за его низкой стоимости, высокой плотности мощности и длительного срока службы14. Активированный уголь (AC), имеющий высокую удельную площадь поверхности и проводимость, используется в качестве электродного материала в коммерческих EDLC15. Эти свойства переменного тока позволяют EDLC иметь высокую электрохимическую емкость16. EDLC имеют пассивный объем в устройствах, когда используется обычный метод изготовления фиксированного размера. Благодаря струйной печати EDLC могут быть полностью интегрированы в дизайн продукта. Таким образом, устройство, изготовленное с использованием метода струйной печати, функционально лучше, чем устройство, изготовленное по существующим методологиям фиксированного размера17. Изготовление EDLC с использованием эффективного метода струйной печати максимизирует стабильность и долговечность EDLC и обеспечивает свободный форм-фактор18. Шаблоны печати были разработаны с использованием программы PCB CAD и преобразованы в файлы Gerber. Разработанные шаблоны были напечатаны с помощью струйного принтера, поскольку он имеет точное программное управление, высокую пропускную способность материала и стабильность печати.
Protocol
Representative Results
Discussion
Критические шаги в этом протоколе связаны с настройкой параметров программного обеспечения для печати разработанного шаблона путем тонкой настройки значений параметров. Индивидуальная печать может привести к структурной оптимизации и получению новых механических свойств…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Корейской электроэнергетической корпорацией (номер гранта: R21XO01-24), Программой развития компетенций для отраслевых специалистов корейской MOTIE, управляемой KIAT (No. P0012453) и стипендия Для аспирантов Университета Чунг-Анг 2021 года.
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).
