Udførlig kontrol af inkjetprinter til fremstilling af chipbaserede superkondensatorer

Summary

Dette papir giver en teknik til fremstilling af chipbaserede superkondensatorer ved hjælp af en inkjetprinter. Metoder beskrives detaljeret for at syntetisere blæk, justere softwareparametre og analysere de elektrokemiske resultater af den fremstillede superkondensator.

Abstract

Der er en enorm indsats på forskellige områder for at anvende inkjetudskrivningsmetoden til fremstilling af bærbare enheder, skærme og energilagringsenheder. For at få produkter af høj kvalitet kræves der imidlertid sofistikerede driftsfærdigheder afhængigt af blækmaterialernes fysiske egenskaber. I den forbindelse er optimering af inkjetudskrivningsparametrene lige så vigtig som at udvikle blækmaterialernes fysiske egenskaber. I denne undersøgelse præsenteres optimering af parametrene for inkjetudskrivningssoftware til fremstilling af en superkondensator. Superkondensatorer er attraktive energilagringssystemer på grund af deres høje effekttæthed, lange levetid og forskellige anvendelser som strømkilder. Superkondensatorer kan bruges i tingenes internet (IoT), smartphones, bærbare enheder, elektriske køretøjer (ELBILER), store energilagringssystemer osv. Den brede vifte af applikationer kræver en ny metode, der kan fremstille enheder i forskellige skalaer. Inkjetudskrivningsmetoden kan bryde igennem den konventionelle fabrikationsmetode i fast størrelse.

Introduction

I de seneste årtier er der udviklet flere udskrivningsmetoder til forskellige applikationer, herunder bærbare ^enheder1, ^lægemidler2 og rumfartskomponenter3. Udskrivningen kan let tilpasses til forskellige enheder ved blot at ændre de materialer, der skal bruges. Desuden forhindrer det spild af råvarer. Til fremstilling af elektroniske enheder er der udviklet flere trykmetoder såsom serigrafi4, push-coating5 og ^litografi6. Sammenlignet med disse udskrivningsteknologier har inkjetudskrivningsmetoden flere fordele, herunder reduceret materialespild, kompatibilitet med flere ^substrater7, lave ^{omkostninger8}, ^{fleksibilitet9}, lavtemperaturbehandling10 og nem ^{masseproduktion11}. Anvendelsen af inkjetudskrivningsmetoden er imidlertid næppe blevet foreslået for visse sofistikerede enheder. Her præsenterer vi en protokol, der fastlægger detaljerede retningslinjer for brug af inkjetudskrivningsmetoden til udskrivning af en superkondensatorenhed.

Superkondensatorer, herunder pseudokondensatorer og elektrokemiske dobbeltlagskondensatorer (EDLC’er), fremstår som energilagringsenheder, der kan supplere konventionelle lithium-ion-batterier12,13. Især EDLC er en lovende energilagringsenhed på grund af dens lave omkostninger, høje effekttæthed og lange ^{cykluslevetid14}. Aktivt kul (AC), der har højt specifikt overfladeareal og ledningsevne, anvendes som elektrodemateriale i kommercielle ^EDLC’er15. Disse egenskaber ved VEKselstrøm gør det muligt for EDLC’er at have en høj elektrokemisk kapacitans16. EDLC’er har det passive volumen i enheder, når den konventionelle fremstillingsmetode i fast størrelse anvendes. Med inkjetudskrivning kan EDLC’erne integreres fuldt ud i produktdesignet. Derfor er den enhed, der er fremstillet ved hjælp af inkjetudskrivningsmetoden, funktionelt bedre end den, der er fremstillet af eksisterende metoder med fast ^størrelse17. Fremstillingen af EDLC’er ved hjælp af den effektive inkjetudskrivningsmetode maksimerer stabiliteten og levetiden for EDLC’er og giver en fri ^formfaktor18. Udskrivningsmønstrene blev designet ved hjælp af et PCB CAD-program og konverteret til Gerber-filer. De designede mønstre blev udskrevet ved hjælp af en inkjetprinter, fordi den har præcis softwareaktiveret kontrol, høj materialegennemstrømning og udskrivningsstabilitet.

Protocol

1. Design af mønster ved hjælp af PCB CAD-program Kør CAD-programmet. Klik på knappen Filer oven på programvinduet. For at danne en ny projektfil skal du klikke på knapperne Ny og Projekt . For at generere boardfilen skal du klikke på knapperne Filer, Ny og Board i rækkefølge. Indstil gitterstørrelsen, flere og alt-værdierne ved at klikke på den maskeformede gitter…

Representative Results

Blækket blev syntetiseret i henhold til trin 2, og blækkets egenskaber kunne bekræftes i henhold til reference18. Figur 8 viser de strukturelle egenskaber ved ledende blæk og EDLC-blæk samt de reologiske egenskaber ved EDLC-blæk, der er rapporteret i den foregående forskning18. Det ledende blæk er godt sintret for at danne kontinuerlige ledende stier, og nanoskalaens ruhed forventes at øge kontaktområdet med EDLC-blækket (<strong cla…

Discussion

De kritiske trin i denne protokol er involveret i opsætningen af softwareparameteren for at udskrive det designede mønster ved at finjustere parameterværdierne. Tilpasset udskrivning kan føre til strukturel optimering og opnåelse af nye mekaniske ^egenskaber19. Inkjetudskrivningsmetoden med softwareparameterstyring kan bruges til sofistikeret udskrivning i forskellige brancher ved at vælge det optimerede materiale til udskrivningsprocessen.

Ved fremstilling af supe…

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