Detta papper ger en teknik för tillverkning av chipbaserade superkondensatorer med hjälp av en bläckstråleskrivare. Metoder beskrivs i detalj för att syntetisera bläck, justera programvaruparametrar och analysera de elektrokemiska resultaten av den tillverkade superkondensatorn.
Det finns enorma ansträngningar inom olika områden för att tillämpa bläckstråleutskriftsmetoden för tillverkning av bärbara enheter, skärmar och energilagringsenheter. För att få högkvalitativa produkter krävs dock sofistikerade driftsfärdigheter beroende på bläckmaterialens fysikaliska egenskaper. I detta avseende är optimering av bläckstråleutskriftsparametrarna lika viktigt som att utveckla bläckmaterialens fysikaliska egenskaper. I denna studie presenteras optimering av parametrarna för bläckstråleutskriftsprogramvara för tillverkning av en superkondensator. Superkondensatorer är attraktiva energilagringssystem på grund av deras höga effekttäthet, långa livslängd och olika applikationer som kraftkällor. Superkondensatorer kan användas i Internet of Things (IoT), smartphones, bärbara enheter, elfordon (EV), stora energilagringssystem etc. Det breda utbudet av applikationer kräver en ny metod som kan tillverka enheter i olika skalor. Bläckstråleskrivarmetoden kan bryta igenom den konventionella tillverkningsmetoden med fast storlek.
Under de senaste årtiondena har flera tryckmetoder utvecklats för olika tillämpningar, inklusive bärbara enheter1, läkemedel2 och flygkomponenter3. Utskriften kan enkelt anpassas för olika enheter genom att helt enkelt ändra de material som ska användas. Dessutom förhindrar det slarven på råvaror. För att tillverka elektroniska enheter har flera tryckmetoder som screentryck4, push-coating5 och litografi6 utvecklats. Jämfört med dessa trycktekniker har bläckstråleskrivarmetoden flera fördelar, bland annat minskat materialavfall, kompatibilitet med flera substrat7, låg kostnad8, flexibilitet9, lågtemperaturbearbetning10 och enkel massproduktion11. Tillämpningen av bläckstråleskrivarmetoden har emellertid knappast föreslagits för vissa sofistikerade enheter. Här presenterar vi ett protokoll som fastställer detaljerade riktlinjer för att använda bläckstråleutskriftsmetoden för utskrift av en superkondensatoranordning.
Superkondensatorer, inklusive pseudokondensatorer och elektrokemiska dubbelskiktskondensatorer (EDLC), växer fram som energilagringsenheter som kan komplettera konventionella litiumjonbatterier12,13. Speciellt är EDLC en lovande energilagringsenhet på grund av dess låga kostnad, höga effekttäthet och långa livscykel14. Aktivt kol (AC), som har hög specifik yta och konduktivitet, används som elektrodmaterial i kommersiella EDLC15. Dessa egenskaper hos AC gör att EDLC kan ha en hög elektrokemisk kapacitans16. EDLC har den passiva volymen i enheter när den konventionella tillverkningsmetoden med fast storlek används. Med bläckstråleskrivare kan EDLC integreras helt i produktdesignen. Därför är den enhet som tillverkas med bläckstråleskrivarmetoden funktionellt bättre än den som tillverkas av befintliga metoder med fast storlek17. Tillverkningen av EDLC med den effektiva bläckstråleskrivarmetoden maximerar stabiliteten och livslängden hos EDLC och ger en friformsfaktor18. Utskriftsmönstren designades med hjälp av ett PCB CAD-program och konverterades till Gerber-filer. De designade mönstren skrevs ut med en bläckstråleskrivare eftersom den har exakt programvaruaktiverad kontroll, hög materialgenomströmning och utskriftsstabilitet.
De kritiska stegen i det här protokollet är involverade i programvaruparameterinställningen för att skriva ut det designade mönstret genom att finjustera parametervärdena. Kundanpassade utskrifter kan leda till strukturoptimering och nya mekaniska egenskaper19. Bläckstråleskrivarmetoden med programvaruparameterstyrning kan användas för sofistikerad utskrift i olika branscher genom att välja det optimerade materialet för tryckprocessen.
Vid tillverkning av su…
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av Korea Electric Power Corporation (bidragsnummer: R21XO01-24), kompetensutvecklingsprogrammet för industrispecialister i den koreanska MOTIE som drivs av KIAT (nr. P0012453) och 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 |