Ultrahoge uitgangsspanning monolithisch geïntegreerde micro-supercondensatoren voor het voeden van geminiaturiseerde elektronica

Om in de toekomst echt internet der dingen te realiseren, zullen compacte monolithische geïntegreerde micro-supercondensatoren (MIMSC’s) met hoge systemische prestaties samen met celdichtheid onmisbaar worden voor het aandrijven van geminiaturiseerde elektronica, maar hun schaalbare productie is nog steeds een uitdaging. Verschillende beperkingen vormen de barrières op hun pad.

Het afzetten van elektrolyten precies op dicht op elkaar gepakte micro-supercondensatoren (MSC’s) en tegelijkertijd zorgen voor elektrochemische isolatie is een van de grootste uitdagingen die moeten worden overwonnen. Bovendien kunnen elektrochemische prestaties aanzienlijk worden opgeofferd tijdens complexe microfabricageprocedures, en zelfs dan is prestatie-uniformiteit tussen talrijke individuele cellen moeilijk te bereiken.

Om deze kritieke problemen aan te pakken, hebben prof. Zhong-Shuai Wu en collega’s een innovatieve en high-throughput-strategie ontwikkeld die meerstaps lithografische patronen combineert met spuitprinten van MXeen-micro-elektroden en driedimensionaal (3D) printen van gelelektrolyt, voor massale productie van MIMSC’s, waarbij tegelijkertijd een superieure celdichtheid en hoge systemische prestaties worden bereikt.

Het team bereikte de monolithische integratie van elektrochemisch geïsoleerde micro-supercondensatoren in dichte nabijheid door gebruik te maken van micropatterning-technieken met hoge resolutie voor micro-elektrode-afzetting en 3D-printen voor nauwkeurige elektrolytafzetting.

Ten eerste, profiterend van de hoge resolutie van lithografische patronen en het unieke karakter van MXene nanosheets, werden superdichte micro-elektrode-arrays gefabriceerd, en elke individuele op MXene gebaseerde MSC vertoont een extreem kleine voetafdruk van 1,8 mm²hoge oppervlaktecapaciteit van 4,1 mF cm^-2hoge volumetrische capaciteit van 457 F cm^-3en stabiele prestaties bij een ultrahoge scansnelheid tot 500 V s^-1.

Ten tweede ontwikkelden ze een eenvoudige, betrouwbare en grote doorvoerstrategie voor elektrochemische isolatie van individuele eenheden. Hiervoor werd rationeel een gel-elektrolyt-inkt ontworpen die compatibel is met nieuwe 3D-printtechnieken, waardoor aangrenzende microcellen elektrochemisch geïsoleerd kunnen worden op een nabijheid van slechts 600 μm en uitstekende prestatie-uniformiteit bieden.

Bijgevolg konden de onderzoekers MIMSC’s verkrijgen met een superieure dichtheid van het aantal cellen van 28 cm-cellen^-2 (400 cellen op 3,5×4,1 cm²), een record uitgangsspanning van 75,6 V cm^-2en een aanvaardbare systemische volumetrische energiedichtheid van 9,8 mWh cm^-3veel hoger dan die van de eerder gerapporteerde geïntegreerde MSC’s.

Toegeschreven aan de betrouwbaarheid en uniformiteit van elke stap in de microfabricageprocessen, waaronder lithografie, sprayprinten, lift-off en 3D-printen, vertoonden de resulterende MSC’s uitstekende prestatieconsistentie op grotere schaal, en de MIMSC’s vertonen een goed capaciteitsbehoud van 92% na 4000 cycli bij een extreem hoge uitgangsspanning van 162 V (zie afbeelding c hieronder).

“Deze innovatieve microfabricagestrategie markeert een grote vooruitgang als een nieuw technologisch platform voor monolithische microkrachtbronnen en zal de toepassingen ondersteunen waar compacte integratie en hoge systemische prestaties worden geëist van energieopslageenheden”, zegt Wu.

Het artikel wordt gepubliceerd in het tijdschrift Nationale wetenschappelijke recensie.