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我所研制高系統性能和高集成度的微型超級電容器模塊

  近日,我所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組(508組)吳忠帥研究員團隊與單細胞分析研究組(1820組)陸瑤研究員團隊,以及中國科學院深圳理工大學、中國科學院金屬研究所成會明院士等合作,開發了高精度的光刻、自動噴涂和3D打印技術,研制出具有高系統性能和高集成度的小型單片集成微型超級電容器。

  為適應小型化、可穿戴、可植入微電子設備的快速發展,需要發展具有小體積、高集成度、高性能和高兼容度的微型儲能器件。平面微型超級電容器由于無需隔膜和外部金屬連接線的特殊結構,同時具有可靠的電化學性能和易于調控的連接方式,在微電子領域有著重要的發展潛力。然而,由于缺少可靠的高精度微電極陣列制備和高效的電解液精確沉積技術,大規模制備高集成度、高性能的微型超級電容器仍具挑戰。因此,急需發展創新性的微加工技術,來實現規?;?、穩定性地制備高度集成、高性能、可定制的微型超級電容器。

  本工作中,合作團隊發展了一種結合高精度的光刻、自動噴涂和3D打印技術的通用可靠策略,實現了高精度微電極陣列的大規模制備和凝膠電解質精確快速添加,研制出具有高面積數密度、高輸出電壓、性能穩定的集成化微型超級電容器模塊。團隊首先采用高精度光刻加工技術和高穩定性自動噴涂技術,制備出超小型集成化微型超級電容器,單個器件的面積僅為0.018cm2,器件間距為600μm,實現了面積器件數密度為每平方厘米28個,即3.5×4.1cm2區域內包含400個器件。隨后,團隊設計并發展了具有優異流變特性的凝膠電解質墨水,采用精確可控的3D打印技術,實現了極小區域內電解質的精確均勻添加,使得相鄰單元微器件之間形成良好的電化學隔離,所得集成化微型超級電容器可以穩定輸出200V的高電壓,單位面積工作電壓達75.6V/cm2,是目前已有報到工作的最高值。此外,該微型超級電容器模塊在162V的極端工作電壓下,循環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展奠定了一定的科學基礎。

  相關研究成果以“Monolithic integrated micro-supercapacitors with ultrahigh systemic volumetric performance and areal output voltage”為題,于近日發表在《國家科學評論》(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。上述工作得到國家自然科學基金、中科院A類先導專項“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”、大連市高層次人才創新支持計劃、中國博士后科學基金等項目的資助。(文/圖 王森、李林梅)

  文章鏈接: https://doi.org/10.1093/nsr/nwac271

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