【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組(508組)吳忠?guī)浹芯繂T團(tuán)隊(duì)與單細(xì)胞分析研究組(1820組)陸瑤研究員團(tuán)隊(duì)，以及中國(guó)科學(xué)院深圳理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所成會(huì)明院士等合作，開發(fā)了高精度的光刻、自動(dòng)噴涂和3D打印技術(shù)，研制出具有高系統(tǒng)性能和高集成度的小型單片集成微型超級(jí)電容器。
為適應(yīng)小型化、可穿戴、可植入微電子設(shè)備的快速發(fā)展，需要發(fā)展具有小體積、高集成度、高性能和高兼容度的微型儲(chǔ)能器件。平面微型超級(jí)電容器由于無需隔膜和外部金屬連接線的特殊結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有可靠的電化學(xué)性能和易于調(diào)控的連接方式，在微電子領(lǐng)域有著重要的發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢捎谌鄙倏煽康母呔任㈦姌O陣列制備和高效的電解液精確沉積技術(shù)，大規(guī)模制備高集成度、高性能的微型超級(jí)電容器仍具挑戰(zhàn)。因此，急需發(fā)展創(chuàng)新性的微加工技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、穩(wěn)定性地制備高度集成、高性能、可定制的微型超級(jí)電容器。
本工作中，合作團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種結(jié)合高精度的光刻、自動(dòng)噴涂和3D打印技術(shù)的通用可靠策略，實(shí)現(xiàn)了高精度微電極陣列的大規(guī)模制備和凝膠電解質(zhì)精確快速添加，研制出具有高面積數(shù)密度、高輸出電壓、性能穩(wěn)定的集成化微型超級(jí)電容器模塊。團(tuán)隊(duì)首先采用高精度光刻加工技術(shù)和高穩(wěn)定性自動(dòng)噴涂技術(shù)，制備出超小型集成化微型超級(jí)電容器，單個(gè)器件的面積僅為0.018cm2，器件間距為600μm，實(shí)現(xiàn)了面積器件數(shù)密度為每平方厘米28個(gè)，即3.5×4.1cm2區(qū)域內(nèi)包含400個(gè)器件。隨后，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并發(fā)展了具有優(yōu)異流變特性的凝膠電解質(zhì)墨水，采用精確可控的3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了極小區(qū)域內(nèi)電解質(zhì)的精確均勻添加，使得相鄰單元微器件之間形成良好的電化學(xué)隔離，所得集成化微型超級(jí)電容器可以穩(wěn)定輸出200V的高電壓，單位面積工作電壓達(dá)75.6V/cm2，是目前已有報(bào)到工作的最高值。此外，該微型超級(jí)電容器模塊在162V的極端工作電壓下，循環(huán)4000次后，仍然保持92%的初始容量。該工作為超小體積、高電壓微型功率源的發(fā)展奠定了一定的科學(xué)基礎(chǔ)。
相關(guān)研究成果以“Monolithic integrated micro-supercapacitors with ultrahigh systemic volumetric performance and areal output voltage”為題，于近日發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review)上。該工作的共同第一作者是我所508組博士后王森和1820組博士后李林梅。上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院A類先導(dǎo)專項(xiàng)“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”、大連市高層次人才創(chuàng)新支持計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。(文/圖 王森、李林梅)
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