方法文章

用于制造基于芯片的超级电容器的喷墨打印机的精细控制

DOI：

10.3791/63234

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2021年11月30日

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1School of Chemical Engineering and Materials Science, Department of Intelligent Energy and Industry, Department of Advanced Materials Engineering, Chung-Ang University

本文内容

摘要

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本文提供了一种使用喷墨打印机制造基于芯片的超级电容器的技术。详细描述了合成油墨，调整软件参数和分析所制造的超级电容器的电化学结果的方法。

摘要

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在各个领域，将喷墨打印方法应用于可穿戴设备，显示器和储能设备的制造方面做出了巨大的努力。然而，为了获得高质量的产品，需要复杂的操作技能，具体取决于油墨材料的物理性能。在这方面，优化喷墨打印参数与开发油墨材料的物理性能同样重要。本研究对用于制造超级电容器的喷墨打印软件参数进行了优化。超级电容器是有吸引力的储能系统，因为它们具有高功率密度，长寿命以及作为电源的各种应用。超级电容器可用于物联网（IoT），智能手机，可穿戴设备，电动汽车（EV），大型储能系统等。广泛的应用需要一种可以制造各种规模设备的新方法。喷墨打印方法可以突破传统的固定尺寸制造方法。

引言

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在过去的几十年中，已经为各种应用开发了多种打印方法，包括可穿戴设备1，制药2和航空航天组件3。只需更改要使用的材料，即可轻松适应各种设备。此外，它还可以防止原材料的浪费。为了制造电子设备，已经开发了几种印刷方法，例如丝网印刷4，推涂5和平版印刷6 。与这些印刷技术相比，喷墨印刷方法具有多重优势，包括减少材料浪费，与多种承印物兼容7，低成本8，灵活性9，低温加工10，易于批量生产11。然而，对于某些复杂的设备，几乎没有建议应用喷墨打印方法。在这里，我们提出了一个协议，该协议建立了使用喷墨打印方法打印超级电容器设备的详细指南。

超级电容器，包括伪电容器和电化学双层电容器（EDLC），正在成为可以补充传统锂离子电池的储能器件12，13。特别是，ED....

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方案

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1. 使用PCB CAD程序设计图案

  1. 运行 CAD 程序。单击程序窗口顶部的" 文件 "按钮。要形成新的项目文件，请单击" 新建 "和" 项目 "按钮。
  2. 要生成开发板文件，请按顺序单击"文件"、"新建"和"版块"按钮。通过单击创建的"板文件"窗口左上角的网格形状网格按钮（或按窗口顶部的"视图"和"网格"的顺序单击）来设置网格大小、多个和 alt 值。
  3. 将网格大小和alt值从毫米更改为英寸，以便喷墨打印机可以读取PCB CAD图案。按 "最佳" 进行微调。
  4. 以交错形式设计集流体和 EDLC 线的图案。以矩形形式设计凝胶聚合物电解质（GPE）图案和集流体垫（图1）。
    注:图案宽度:43毫米，图案高度:55毫米，线长:40毫米，线宽:1.0毫米，线对线间距:1.5毫米，垫子尺寸:15 x 5毫米2。
    1. 由于最终图案由三种类型（导电线，EDLC和GPE）组成，....

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结果

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根据步骤2合成墨水，并且可根据参考文献18确认墨水的特性。图8显示了导电油墨和EDLC油墨的结构性能，以及先前研究中报道的EDLC油墨的流变性能18。导电油墨被很好地烧结以形成连续的导电路径，并且纳米级的粗糙度有望增加与EDLC油墨的接触面积（图8A，B）。EDLC油墨在宏观尺度上均匀分布，但在微米和纳米尺度上具有非常粗糙的表面形状，这可能提供高表面积并提高储能能力。所有组件都分散良好，没有可见的元件可能导致打印过程中堵塞（图8C-F）。图8G显示了EDLC油墨中表观粘度的时间演变。粘度值随剪切时间增加，不显示粘弹性行为;它表示剪切增稠行为，没有任何应力引起的结构延伸，拉伸或重排。

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讨论

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此协议中的关键步骤涉及软件参数设置，通过微调参数值来打印设计的图案。定制印刷可以优化结构并获得新的机械性能19。具有软件参数控制的喷墨打印方法，通过为打印过程选择优化的材料，可用于各个行业的复杂打印。

在使用喷墨打印制造超级电容器时，一篇论文报告说，开发具有均匀和高分辨率的图案仍然存在局限性。据悉，高温后处理仍需，物料的优化工艺不可或缺20。另一篇论文报道说，要正确使用喷墨打印，需要在相对狭窄的范围内调整粘度和表面张力，这取决于打印机。为此目的，油墨活性物质的浓度是有限的。在某些情况下，已经注意到需要多次打印才能沉积足够数量的材料21。为了符合这一趋势，该协议可以通过提供处理喷墨打印机的精确方法，帮助研究人员实现更高分辨率的图案。此外，通过掌握软件控制，可以通过调整进给率和Kick等软件参数来简化制造过程，而无需多次打印以沉积足够的材料。

精确打印的软件参数控制可以根据所提出的协议完成.......

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致谢

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这项工作得到了韩国电力公司（批准号:R21XO01-24）的支持，这是由KIAT运营的韩国MOTIE行业专家的能力发展计划（编号:P0012453），以及2021年中港大学研究生研究奖学金。

....

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
2 英寸 x 3 英寸FR­4 板VolteraSKU： 1000066PCB 基材
活性炭MTINp-Ag-0530HT
Eagle CADAutodeskPCB CAD 程序
乙基纤维素Sigma Aldrich4607048.0-49.5% （w/w） 乙氧基基材
Flex 2 导电油墨VolteraSKU： 1000333柔性银油墨
高氯酸锂Sigma Aldrich634565
碳酸丙烯Sigma Aldrich310328
PVDFSigma Aldrich182702Mw ~534,000
版本：6. 6.8. 9电化学分析程序
Super-P现代
松油醇Sigma Aldrich432628
Thinky 搅拌机ThinkyARE-310行星搅拌机
Triton-XSigma AldrichX100
V-One 打印机VolteraSKU：1000329PCB 打印机
ZIVE SP1Wonatech恒电位仪装置
酯 GPC Smart Manager ZIVE LAB ver 的平均

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Valentine, A. D., et al. Hybrid 3D printing of soft electronics. Advanced Materials. 29 (40), 1703817(2017).
  2. Liang, K., Carmone, S., Brambilla, D., Leroux, J. -C. 3D printing of a wearable personalized oral delivery device: A first-in-human study. Science Advances

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