科學家首度運用電流體力學直噴印刷技術,開發出與指紋一樣小的微型超級電容

作者 | 發布日期 2020 年 11 月 05 日 8:30 | 分類 能源科技 , 零組件 , 電力儲存 Telegram share ! follow us in feedly


當前已開發出尺寸與人類指紋一樣小,並可直接與電子晶片相整合的迷你微型超級電容(Micro-Supercapacitor,MSC)。由於該元件在應用至個別電子零組件時可以獨立驅動,所以引起了人們廣泛的關注,並視之為引領物聯網(IoT)時代的新興技術。 

透過這項研究,Sang-Young Lee 教授及其在韓國蔚山國立科技大學(UNIST)能源與化學工程學院的研究團隊發表了一種新型超高平面密度固態微型超級電容(UHD SS–MSC),該元件可透過電流體力學直噴印刷(Electrohydrodynamic,EHD)技術而印刷在晶片上。根據該研究團隊指出,這是首度將電流體力學直噴印刷技術應用在微型超級電容之中的研究。

(Source:Science Advances

特別適用於穿戴式與 IoT 裝置

超級電容(SC)又稱為 Ultra-capacitor,可以比一般電容器儲存更多的能量。與鋰蓄電池相比,超級電容器的優勢包括具有更高的電力輸出和更長的充電循環壽命。特別的是,透過半導體製程,它可以製造成與人類指紋一樣小的元件,因此特別適用於穿戴式裝置與 IoT 裝置。

然而,由於在製程中產生的熱量可能導致超級電容器之電子特性的劣化,因此難以將它們直接連接至電子零組件。另外,透過噴墨印刷技術將超級電容器與電子零組件組合在一起的製造方法也會有精度較低的缺點。

研究團隊使用電流體力學直噴印刷技術解決了這個問題,該技術是微電子學中的一種高解析度微影成像技術。電流體力學直噴印刷使用電極和電解液進行印刷,類似於傳統的噴墨印刷,但是它可以透過電場來控制印刷液。

「透過電動液體力學(Electro-Hydrodynamic)直噴印刷技術,我們每平方公分最多可生產 54.9 個電池單元,因此在同一區域可實現 65.9 伏特電壓的輸出,」該研究的第一作者 Kwonhyung Lee 指出。

該團隊也成功地在晶片上製造了 36 個電池單元與平面工作電壓(65.9 V cm-2,遠遠超過先前透過一般噴墨印刷技術所製造的微型超級電容)。此外,這些電池單元即使曝露在攝氏 80 度的高溫下仍保持正常的循環伏安法(Cyclic Voltammetry, CV)曲線,因此證明了它們可以承受實際電子零組件運行過程中所產生的過多熱量。此外,這些電池可以串聯或並聯,因此可以提供客製化電源。

「在這項研究中,我們實際展示了在晶片上透過電流體力學直噴印刷技術製造的 UHD SS–MSC,」Lee 教授表示。「在此所介紹的晶片上 UHD SS–MSC,其作為一個新興平台技術,並提供具備客製化設計與可調節電化學特性之微型單晶片電源的角色來說,的確充滿無限前景。」

(首圖來源:Science Advances