经验案例

微电子打印机制作超级电容器

发表日期:2020-04-16阅读量:436

随着可穿戴、便携式电子设备及微机电系统朝着轻薄短小、多功能集成方向快速发展,平面微型超级电容器(MSCs)作为替代的先进能量存储系统已经引起越来越多的关注。相对传统超级电容器和微电池,平面微型超级电容器具备以下优点。(1)电极宽度以及绝缘间隙可变,等效串联电阻低;(2)MSC的结构允许其性能度量可定制;(3)微制造工艺,成本低。

平面微型超级电容器的结构一般包括疏水层、电极、电解质等。

 

图1左图为超级电容器结构俯视图;右图为结构侧视图
 
制作平面微型超级电容器,共有两种方法。一是基于传统的微细加工技术,通过掩模减材的方式进行制备;二是将可印刷油墨或凝胶形式的功能材料施加到基底上以产生功能结构,成本低、制作周期短。第二种方法可使用微电子打印机进行制作。借助微电子打印机的点胶、刮涂等功能,柔性化的超级电容器的制备,并且可以获得良好的电化学性能以及循环稳定性能。
 
在这,主要介绍下如何使用微电子打印机制作超级电容器。
 
  • 作图

 

利用BitsAssembler软件进行作图。建立第一层点胶层,点击“+Add Layer”,Nozzle Options选取Dispensing glue,Needle size选择210,输入层名“疏水层墨水”,点击OK即完成打印层的创建。选择左下角Rectangle进行作图。并使用Edit Pad进行修改,多次进行此操作,可得到左下图形。然后,对图形进行点胶化。选中整个图形,点击右键,之后点击Convert To Dispense进行点胶化。Dispense line width与之前的Needle size相对应。点击OK即完成疏水层的作图。

 

图2 左图为疏水层图案;右图为电极层图案

 
接下来建立第二层。同样点击“+AddLayer”,Nozzle Options选取Dispensing glue,Needle size选择160,输入层名“电极层墨水”,点击OK即完成打印层的创建。使用Rectangle进行作图,得到上图电极层图案。进行点胶化后Dispense line width与之前的Needle size相对应。点击OK即完成电极层的作图。
 
 

图3 超级电容器在软件中的示意图

 
最后建立电解质层。同样点击“+Add Layer”,Nozzle Options选取Scraping coating,Blade length选择40,输入层名“电解质层”,点击OK即完成该打印层的创建。之后进行作图,使用左下角的Scraping Blade进行作图,点击左键,对起始位置以及刮涂的长度进行修改。制作好的图案如上图所示。
 
  • 制备

 

之后进行超级电容器的制作。先进行第一层的点胶,点击Print Board,选择“疏水层墨水”层,单击左下角设置标志,设置点胶速度与气压,至于点胶的高度需要按照实际情况自己进行调整。之后点击“Let’s Print” ,点胶完成后,在室温下,让其凝固2小时以上。

 

 
“电极层墨水”层与之前的操作一样,点胶完成后分别120℃加热30min左右。点胶完电极层后,即开始第四层的刮涂。
 

点击Print Board,选择“电解质墨水”层,单击左下角设置标志,点击“Test S1”下方的图标设置刮涂速度与气压,至于刮涂的高度需要按照实际情况自己进行调整。之后点击“Let’s Print”。

图5 刮涂参数界面
 
制作出的超级电容器如下图所示,以及测其循环性能如下。
 

图6 左为超级电容器样品;右图为超级电容器循环性能

 
 

 

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