Name: 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 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-11-30T13:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 57 s
Description: 学习使用喷墨打印技术制造自由形态超级电容器的方法，通过软件参数精确控制打印机，提高制造精度并优化资源利用效率。该方法适用于电化学和材料科学领域的研究。

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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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<li>Zhou, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-throughput+characterization+of+fluid+properties+to+predict+droplet+ejection+for+three-dimensional+inkjet+printing+formulations%5BTitle%5D)+AND+%22Additive+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">High-throughput characterization of fluid properties to predict droplet ejection for three-dimensional inkjet printing formulations.</a> Additive Manufacturing. 29, 100792(2019).</li>
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作者无披露信息。

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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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。特别是EDLC，由于其成本低、功率密度高以及循环寿命长，是一种极具前景的储能器件14。活性炭（AC）因其具有高比表面积和导电性，被用作商用EDLC中的电极材料15。AC的这些特性使EDLC能够实现高的电化学电容16。当采用传统的固定尺寸制造方法时，EDLC在设备中占据被动体积。而通过喷墨打印技术，EDLC可以完全集成到产品设计中。因此，采用喷墨打印方法制备的器件在功能上优于采用现有固定尺寸方法制备的器件17。利用高效的喷墨打印技术制造EDLC，可最大限度地提高EDLC的稳定性和使用寿命，并实现自由形态因子18。打印图案通过PCB CAD程序设计，并转换为Gerber文件。所设计的图案使用喷墨打印机进行打印，因其具备精确的软件控制、高材料通量和打印稳定性。

<table><tbody><tr><td>2&amp;rdquo; × 3&amp;rdquo; FR&amp;shy;4 板</td><td>Voltera</td><td>SKU: 1000066</td><td>PCB 基板</td></tr><tr><td>活性炭</td><td>MTI</td><td>Np-Ag-0530HT</td><td></td></tr><tr><td>Eagle CAD</td><td>Autodesk</td><td></td><td>PCB 电路设计软件</td></tr><tr><td>乙基纤维素</td><td>Sigma Aldrich</td><td>46070</td><td>乙氧基含量 48.0–49.5%（质量分数）</td></tr><tr><td>Flex 2 导电油墨</td><td>Voltera</td><td>SKU: 1000333</td><td>柔性银油墨</td></tr><tr><td>高氯酸锂</td><td>Sigma Aldrich</td><td>634565</td><td></td></tr><tr><td>碳酸丙烯酯</td><td>Sigma Aldrich</td><td>310328</td><td></td></tr><tr><td>PVDF</td><td>Sigma Aldrich</td><td>182702</td><td>平均分子量 ~534,000（通过 GPC 测定）</td></tr><tr><td>Smart Manager</td><td>ZIVE LAB</td><td>版本：6.6.8.9</td><td>电化学分析软件</td></tr><tr><td>Super-P</td><td>现代</td><td></td><td></td></tr><tr><td>松油醇</td><td>Sigma Aldrich</td><td>432628</td><td></td></tr><tr><td>Thinky 混合器</td><td>Thinky</td><td>ARE-310</td><td>行星式混合器</td></tr><tr><td>Triton-X</td><td>Sigma Aldrich</td><td>X100</td><td></td></tr><tr><td>V-One 打印机</td><td>Voltera</td><td>SKU: 1000329</td><td>PCB 打印机</td></tr><tr><td>ZIVE SP1</td><td>Wonatech</td><td></td><td>恒电位仪设备</td></tr></tbody></table>

用于芯片型超级电容器制备的喷墨打印机精细控制方法

Elaborate Control of Inkjet Printer for Fabrication of Chip-based Supercapacitors

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&#160;的制造方式。

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。
<p class="jove_co...

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。

在可穿戴设备、显示器和储能装置的制造方面，各个领域都在大力应用喷墨打印技术……

本方案克服了现有固定尺寸超级电容器的局限性，提供了一种通过精确喷墨打印制备任意形状超级电容器的方法。通过该方案，可有效保障人力与物力资源的利用效率。此外，为用户提供喷墨打印机的软件控制方法，有助于制造出更为精确的超级电容器。该技术提供了一种操控喷墨打印机的方法，因此本方案不仅可用于制备超级电容器，还可用于制备其他器件。在设计电化学双层电容器（EDLC）的图案之前，首先运行CAD程序。转到程序窗口顶部的“File”按钮，点击“New”和“Project”按钮以创建一个新的项目文件。要生成电路板文件，请依次单击文件、新建和电路板按钮。在创建的电路板文件窗口的左上角，单击网格状的网格按钮，以设置网格的大小、倍数和Alt值。将网格大小和Alt值从毫米更改为英寸，以便喷墨打印机能够读取PCB CAD图案。按“最精细”以进行精细调整。参数设置完成后，将集流体和EDLC线路设计成叉指状图案。将凝胶聚合物电解质（GPE）图案和集流体焊盘设计为矩形。对于导电线路、EDLC和GPE这三种最终图案类型，依次点击“视图”和“图层设置”来设定三个图层。通过点击可见图层窗口左下角的“新建图层”按钮来创建新图层。在“新建图层”的新窗口中，设置新图层的名称和颜色。为了便于视觉区分图层，请将三个图层的名称分别设置为集流体、EDLC 和凝胶聚合物电解质（GPE），并通过点击“颜色”右侧的色块来更改相应的颜色。点击屏幕左下角的“Line”按钮。如需更改线条粗细，请在屏幕顶部中央的“width”处输入以英寸为单位的数值。然后，在主区域中点击并拖动以绘制线条。要编辑线条的长度，右键单击该线条，然后单击底部的“属性”。在“起点”和“终点”字段中，输入起始点和结束点的 X 和 Y 值。对于图案的参考点，将左上角设置为 0, 0。根据之前提供的信息绘制其余图案。要将绘制的图案设置到所需图层，请右键单击图案，然后点击“属性”。接着点击“图层”并选择所需的图层。在主窗口左下角按下 RECT，于 GPE 中绘制集流体焊盘的矩形图案。在屏幕中先前已绘制图案的位置点击并拖动。接着，右键单击矩形表面，然后点击底部的 Properties（属性）。在“起始”和“结束”字段中分别输入矩形的左上角和右下角的 X、Y 值。将矩形设置为前面提到的所需图层。在将设计图案的 CAD 文件转换为 Gerber 文件格式之前，单击文件并选择“保存”，以 brd 格式保存电路板文件。保存文件后，单击窗口顶部的“文件”选项卡，然后单击 CAM 处理器。要创建所需层的 Gerber 文件，请在输出文件的 Gerber 选项卡下，通过按下减号删除子列表（例如顶层铜层和底层铜层）。按下加号并单击“新建 Gerber 输出”以创建 Gerber 输出。在屏幕右侧，通过点击右侧的齿轮图标，将“名称和功能”中的图层名称设置为 Copper。然后，将图层类型设置为 Top，并将集流体、EDLC 和 GPE 的 Gerber 图层编号依次设置为 L1、L2 和 L3。在 Gerber 文件底部的“图层”窗口中，单击左下角的“编辑图层”以选择每个所需的图层。要设置将要创建的输出文件的名称，请在窗口底部将输出的 Gerber 文件名设置为 prefix/name.gbr。最后，单击窗口左上方的“保存任务”以保存设置，然后单击右下方的“处理任务”以生成 Gerber 文件。设置喷墨打印机软件参数时，运行打印机程序，然后点击打印按钮，选择简易模式，并选择柔性导电油墨。通过点击选择文件按钮，上传所设计图案的 Gerber 文件。选择并打开导电线路的 Gerber 文件。单击黄色框所示的“下一步”按钮。然后固定PCB板并安装探针。完成后，单击“轮廓”按钮，通过探针调整PCB打印机的零点位置。通过拖动屏幕上的图案图像并点击“Outline”按钮来移动图像。检查探针是否沿预期路径移动。然后，点击“Next”选项卡。点击探针以测量基底高度，检查基底是否平整。高度测量完成后，取下探针，将墨盒插入墨水分配器中，并连接内径为230微米的喷嘴，以准备分配器。安装用于导电线路、EDLC和GPE的墨水分配器后，在调整每种墨水参数的同时，按下“校准”按钮打印样品图案。目视检查打印结果，并记录每种油墨的参数值。在按下“开始”按钮打印导电线路的设计图案之前，使用蘸有乙醇的清洁擦拭布擦除样品打印图案。打印完成后，翻转电路板并在180摄氏度下固化导电线路30分钟，随后测量基底与导电线路的总重量。在打印机程序的起始界面中，选择“对齐”选项，加载EDLC线型图案文件，然后点击“下一步”。通过两个对齐点确保检测到导电线路的位置，以对齐EDLC线路与导电线路的图案位置。随后，移动至任意点并检查位置是否正确。通过点击“Probe”按钮，测量导电线路的总高度，以检查分配喷嘴相对于导电线路的高度。调整EDLC油墨的软件参数值。完成后，打印一个样品图案，以确认软件参数值是否合适。随后，用蘸有乙醇的清洁擦拭布擦除样品打印图案，然后按下“开始”按钮压印EDLC线。对喷墨打印的超级电容器器件进行电化学测量。单击“应用到通道”（Apply to Ch），并运行循环伏安测试的序列文件以获得结果。单击“应用到通道”并运行恒电流充放电测试的序列文件以获得结果。单击“应用到通道”并运行电化学阻抗谱测试的序列文件以获取结果。采用扫描电子显微镜分析导电油墨和EDLC油墨的结构特性。导电油墨居中性良好，可形成连续的导电通路。油墨中所有组分均分散均匀，无可见可能导致打印过程中堵塞的成分。已报道了EDLC油墨的流变特性，观察到油墨的黏度随剪切时间增加而上升，表明其具有剪切增稠行为，且未出现由应力诱导的结构延伸、拉伸或重排现象。在该研究中，成功制备出一种印刷型超级电容器。若印刷图案缺陷较少或无缺陷，且表面粗糙度最小、厚度均匀，则认为印刷质量良好。以最低100毫米/分钟的进给速度进行打印时，结果显示出均匀的线条，无可见断裂。当进给速度最大达到600毫米/分钟时，整体打印时间减少。与以500毫米/分钟进给速度打印的结果相比，在600毫米/分钟下形成的线条出现断裂或裂纹，这是因为分配头移动过快所致。每分钟300毫升的进料速率为最佳，可确保合适的打印时间并防止裂纹形成。通过观察踢脚（kick）的相应变化来检查打印效果。当踢脚过低时，所有线路均会断开。然而，较高的进样压力会导致瓶颈现象，从而引起喷嘴堵塞。在适当的进样压力值下，液流不会断裂，且喷嘴不会堵塞。通过软件参数控制可实现更精确的打印，使许多研究人员能够在不同领域中在最优条件下应用喷墨打印技术。

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Engineering

工程

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