Um in Zukunft ein echtes Internet der Dinge zu realisieren, werden kompakte monolithisch integrierte Mikro-Superkondensatoren (MIMSCs) mit hoher systemischer Leistung zusammen mit einer hohen Zellzahldichte für die Versorgung miniaturisierter Elektronik unverzichtbar, aber ihre skalierbare Produktion ist immer noch eine Herausforderung. Mehrere Einschränkungen stehen ihnen als Hindernisse im Weg.
Die präzise Abscheidung von Elektrolyten auf dicht gepackten Mikro-Superkondensatoren (MSCs) bei gleichzeitiger Sicherstellung der elektrochemischen Isolierung ist eine der größten Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt. Darüber hinaus kann die elektrochemische Leistung während komplexer Mikrofabrikationsverfahren erheblich geopfert werden, und selbst dann ist es schwierig, eine Leistungsgleichmäßigkeit zwischen zahlreichen einzelnen Zellen zu erreichen.
Um diese kritischen Probleme anzugehen, haben Prof. Zhong-Shuai Wu und Kollegen eine innovative Strategie mit hohem Durchsatz entwickelt, die mehrstufige lithografische Musterung, Sprühdruck von MXene-Mikroelektroden und dreidimensionalen (3D) Druck von Gelelektrolyten für die Masse kombiniert Produktion von MIMSCs, wobei gleichzeitig eine überlegene Zellzahldichte und eine hohe systemische Leistung erreicht werden.
Das Team erreichte die monolithische Integration von elektrochemisch isolierten Mikro-Superkondensatoren in unmittelbarer Nähe, indem es hochauflösende Mikrostrukturierungstechniken für die Mikroelektrodenabscheidung und 3D-Druck für eine präzise Elektrolytabscheidung nutzte.
Erstens wurden superdichte Mikroelektrodenarrays hergestellt, die von der hohen Auflösung der lithografischen Strukturierung und der Einzigartigkeit von MXene-Nanoblättern profitierten, und jede einzelne MSC auf MXene-Basis weist eine extrem kleine Grundfläche von 1,8 mm2 und eine hohe Flächenkapazität von 4,1 mF cm auf. 2, hohe volumetrische Kapazität von 457 F cm-3 und stabile Leistung bei ultrahoher Abtastrate von bis zu 500 V s-1.
Zweitens entwickelten sie eine einfache, zuverlässige Strategie mit großem Durchsatz für die elektrochemische Isolierung einzelner Einheiten. Zu diesem Zweck wurde eine Gel-Elektrolyt-Tinte, die mit der neuartigen 3D-Drucktechnik kompatibel ist, rational entwickelt, die es ermöglicht, benachbarte Mikrozellen in einem engen Abstand von nur 600 μm elektrochemisch zu isolieren und eine hervorragende Leistungsgleichmäßigkeit zu bieten.
Folglich konnten die Forscher MIMSCs mit einer überlegenen Flächenzahldichte von 28 Zellen cm-2 (400 Zellen auf 3,5 × 4,1 cm2), einer Rekord-Flächenausgangsspannung von 75,6 V cm-2 und einer akzeptablen systemischen volumetrischen Energiedichte erhalten von 9,8 mWh cm-3, was weit über denen der zuvor berichteten integrierten MSCs liegt.
Aufgrund der Zuverlässigkeit und Einheitlichkeit jedes Schritts in den Mikrofabrikationsprozessen, einschließlich Lithographie, Sprühdruck, Lift-Off und 3D-Druck, zeigten die resultierenden MSCs eine hervorragende Leistungskonsistenz in größerem Maßstab, und die MIMSCs zeigen eine gute Kapazitätsretention von 92 % nach 4000 Zyklen bei einer extrem hohen Ausgangsspannung von 162 V (siehe Bild c unten).
„Diese innovative Mikrofabrikationsstrategie stellt einen großen Fortschritt als neue technologische Plattform für monolithische Mikrostromquellen dar und wird Anwendungen unterstützen, bei denen kompakte Integration und hohe Systemleistung von Energiespeichereinheiten verlangt werden“, sagt Wu.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht National Science Review.
Mehr Informationen:
Sen Wang et al, Monolithisch integrierte Mikro-Superkondensatoren mit ultrahoher systemischer volumetrischer Leistung und Flächenausgangsspannung, National Science Review (2022). DOI: 10.1093/nsr/nwac271