本文提供了一种利用喷墨打印机制造基于芯片的超级电容器的技术。详细描述了合成墨水、调整软件参数以及分析所制造超级电容器电化学性能的方法。
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本文内容
摘要
摘要
目前，各个领域都在大力推动喷墨打印技术在可穿戴设备、显示器和储能装置制造中的应用。然而，为了获得高质量的产品，需要根据墨水材料的物理特性掌握复杂的操作技能。在这方面，优化喷墨打印参数与开发墨水材料的物理特性同等重要。本研究展示了用于制造超级电容器的喷墨打印软件参数的优化方法。超级电容器因其高功率密度、长寿命以及作为电源的多种应用前景而备受关注。超级电容器可应用于物联网（IoT）、智能手机、可穿戴设备、电动汽车（EVs）、大型储能系统等。广泛的应用需求催生了能够以不同尺度制造器件的新方法。喷墨打印技术有望突破传统固定尺寸 的制造方式。
引言
在过去几十年中，已开发出多种适用于不同领域的打印方法，包括可穿戴设备1、药物制剂2和航空航天部件3。通过简单更换所用材料，即可轻松将打印技术适配于各种设备。此外，该技术还能避免原材料的浪费。在电子器件的制造中，已发展出多种打印方法，例如丝网印刷4、推涂法5和光刻技术6。与这些打印技术相比，喷墨打印方法具有多项优势，包括材料浪费少、与多种基底兼容7、成本低8、灵活性高9、低温加工10以及易于实现大规模生产11。然而，喷墨打印方法在某些复杂器件中的应用仍鲜有报道。本文提出了一项实验方案，旨在建立使用喷墨打印技术制备超级电容器器件的详细操作指南。
超级电容器，包括赝电容器和电化学双层电容器（EDLCs），正逐渐成为可补充传统锂离子电池的储能装置12,13
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方案
1. 使用PCB CAD程序设计图案
- 运行 CAD 程序。点击程序窗口顶部的 文件 按钮。要创建新项目文件，请依次点击 新建 和 项目 按钮。
- 要生成电路板文件，请依次点击 文件、新建 和 电路板 按钮。在创建的 电路板文件 窗口左上角点击网格状的 网格 按钮（或依次点击窗口顶部的 视图 和 网格），以设置网格大小、倍数和 alt 值。
- 将网格大小和 alt 值均从毫米（mm）更改为英寸（inch），以便喷墨打印机能够读取 PCB CAD 图案。按下 最精细 以进行精细调整。
- 将集流体和 EDLC 线路设计为叉指状结构。将凝胶聚合物电解质（GPE）图案和集流体焊盘设计为矩形（图 1）。
注意：图案宽度：43 mm，图案高度：55 mm，线长：40 mm，线宽：1.0 mm，线间距：1.5 mm，焊盘尺寸：15 × 5 mm2。- 由....
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结果
油墨的合成按照步骤2进行，并可根据文献18确认其特性。图8展示了导电油墨和EDLC油墨的结构特性，以及先前研究中报道的EDLC油墨的流变特性18。导电油墨经良好烧结后形成连续的导电通路，其纳米级粗糙度有望增加与EDLC油墨的接触面积（图8A、B）。EDLC油墨在宏观尺度上均匀分布，但在微观和纳米尺度上具有非常粗糙的表面形貌，可能提供较大的比表面积，从而提高储能能力。所有组分均分散良好，未见可能在打印过程中引起堵塞的可见颗粒（图8C–F）。图8G展示了EDLC油墨表观黏度随时间的变化。黏度值随剪切时间增加而上升，未表现出黏弹性行为，表明该材料具有剪切增稠特性，且无应力诱导的结构延伸、拉伸或重排现象。
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讨论
本方案中的关键步骤涉及软件参数设置，通过精细调整参数值来打印设计的图案。定制化打印可实现结构优化并获得新的力学性能19。通过为打印过程选择优化的材料，这种具有软件参数控制的喷墨打印方法可用于各个行业的精密打印。
在使用喷墨打印技术制备超级电容器的过程中，有文献报道，目前仍存在难以制备出均匀且高分辨率图案的局限性。据报道，仍需进行高温后处理，且材料的优化过程不可或缺20。另一篇文献指出，为了正确使用喷墨打印技术，必须将墨水的黏度和表面张力调节至依赖于具体打印机型号的较窄范围内。为此，墨水中活性材料的浓度受到限制。在某些情况下，需进行多次打印才能沉积足量的材料21。顺应这一发展趋势，本实验方案通过提供精确操控喷墨打印机的方法，可帮助研究人员实现更高分辨率的图案化。此外，通过熟练掌握软件控制，研究人员可通过调节进给速率（Feed rate）和喷射电压（Kick）等软件参数，简化制造过程，而无需多次打印即可沉积足够的材料。
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致谢
本工作由韩国电力公司（资助编号：R21XO01-24）、由韩国产业通商资源部（MOTIE）通过韩国产业技术振兴院（KIAT）实施的产业专门人才能力开发项目（编号：P0012453）以及2021年中央大学研究生研究奖学金资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2” × 3” FR4 板 | Voltera | SKU: 1000066 | PCB 基板 |
| 活性炭 | MTI | Np-Ag-0530HT | |
| Eagle CAD | Autodesk | PCB 电路设计软件 | |
| 乙基纤维素 | Sigma Aldrich | 46070 | 乙氧基含量 48.0–49.5%（质量分数） |
| Flex 2 导电油墨 | Voltera | SKU: 1000333 | 柔性银油墨 |
| 高氯酸锂 | Sigma Aldrich | 634565 | |
| 碳酸丙烯酯 | Sigma Aldrich | 310328 | |
| PVDF | Sigma Aldrich | 182702 | 平均分子量 ~534,000（通过 GPC 测定） |
| Smart Manager | ZIVE LAB | 版本：6.6.8.9 | 电化学分析软件 |
| Super-P | 现代 | ||
| 松油醇 | Sigma Aldrich | 432628 | |
| Thinky 混合器 | Thinky | ARE-310 | 行星式混合器 |
| Triton-X | Sigma Aldrich | X100 | |
| V-One 打印机 | Voltera | SKU: 1000329 | PCB 打印机 |
| ZIVE SP1 | Wonatech | 恒电位仪设备 |
参考文献
- Valentine, A. D., et al. Hybrid 3D printing of soft electronics. Advanced Materials. 29 (40), 1703817(2017).
- 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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