Summary
Ce document fournit une technique de fabrication de supercondensateurs à base de puces à l’aide d’une imprimante à jet d’encre. Les méthodologies sont décrites en détail pour synthétiser les encres, ajuster les paramètres logiciels et analyser les résultats électrochimiques du supercondensateur fabriqué.
Abstract
Il y a des efforts énormes dans divers domaines pour appliquer la méthode d’impression à jet d’encre pour la fabrication de dispositifs portables, d’écrans et de dispositifs de stockage d’énergie. Pour obtenir des produits de haute qualité, cependant, des compétences opérationnelles sophistiquées sont nécessaires en fonction des propriétés physiques des matériaux d’encre. À cet égard, l’optimisation des paramètres d’impression à jet d’encre est aussi importante que le développement des propriétés physiques des matériaux d’encre. Dans cette étude, l’optimisation des paramètres du logiciel d’impression à jet d’encre est présentée pour la fabrication d’un supercondensateur. Les supercondensateurs sont des systèmes de stockage d’énergie attrayants en raison de leur densité de puissance élevée, de leur longue durée de vie et de leurs diverses applications en tant que sources d’alimentation. Les supercondensateurs peuvent être utilisés dans l’Internet des objets (IoT), les smartphones, les appareils portables, les véhicules électriques (VE), les grands systèmes de stockage d’énergie, etc. Le large éventail d’applications exige une nouvelle méthode capable de fabriquer des appareils à différentes échelles. La méthode d’impression à jet d’encre peut briser la méthode de fabrication conventionnelle à taille fixe.
Introduction
Au cours des dernières décennies, de multiples méthodes d’impression ont été développées pour diverses applications, notamment des dispositifs portables1, des produits pharmaceutiques2 et des composants aérospatiaux3. L’impression peut être facilement adaptée à divers appareils en changeant simplement les matériaux à utiliser. De plus, il empêche le gaspillage de matières premières. Pour fabriquer des appareils électroniques, plusieurs méthodes d’impression telles que la sérigraphie4, le push-coating5 et la lithographie6 ont été développées. Par rapport à ces technologies d’impression, la méthode d’impression à jet d’encre présente de multiples avantages, notamment la réduction du gaspillage de matériaux, la compatibilité avec plusieurs substrats7, le faible coût8, la flexibilité9, le traitement à basse température10 et la facilité de production de masse11. Cependant, l’application de la méthode d’impression à jet d’encre n’a guère été suggérée pour certains appareils sophistiqués. Ici, nous présentons un protocole établissant des directives détaillées pour utiliser la méthode d’impression à jet d’encre pour l’impression d’un dispositif de supercondensateur.
Les supercondensateurs, y compris les pseudocondensateurs et les condensateurs électrochimiques à double couche (EDLC), émergent comme des dispositifs de stockage d’énergie pouvant compléter les batteries lithium-ion conventionnelles12,13. En particulier, EDLC est un dispositif de stockage d’énergie prometteur en raison de son faible coût, de sa densité de puissance élevée et de sa longue durée de vie14. Le charbon actif (CA), ayant une surface et une conductivité spécifiques élevées, est utilisé comme matériau d’électrode dans les EDLC commerciaux15. Ces propriétés du courant alternatif permettent aux EDLC d’avoir une capacité électrochimique élevée16. Les EDLC ont le volume passif dans les dispositifs lorsque la méthode de fabrication conventionnelle à taille fixe est utilisée. Avec l’impression à jet d’encre, les EDLC peuvent être entièrement intégrés dans la conception du produit. Par conséquent, le dispositif fabriqué à l’aide de la méthode d’impression à jet d’encre est fonctionnellement meilleur que celui fabriqué par les méthodologies de taille fixe existantes17. La fabrication d’EDLC à l’aide de la méthode d’impression à jet d’encre efficace maximise la stabilité et la longévité des EDLC et fournit un facteur de forme libre18. Les motifs d’impression ont été conçus à l’aide d’un programme de CAO PCB et convertis en fichiers Gerber. Les motifs conçus ont été imprimés à l’aide d’une imprimante à jet d’encre car elle offre un contrôle logiciel précis, un débit de matériau élevé et une stabilité d’impression.
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Protocol
1. Conception de motifs à l’aide d’un programme de CAO PCB
- Exécutez le programme cao. Cliquez sur le bouton Fichier en haut de la fenêtre du programme. Pour former un nouveau fichier de projet, cliquez sur les boutons Nouveau et Projet .
- Pour générer le fichier du tableau, cliquez sur les boutons Fichier, Nouveau et Tableau dans l’ordre. Définissez la taille de la grille, plusieurs et valeurs alt en cliquant sur le bouton Grille en forme de maillage en haut à gauche de la fenêtre Fichier de carte créée (ou en cliquant sur Affichage et Grille dans l’ordre en haut de la fenêtre).
- Modifiez la taille de la grille et la valeur alt de mm à pouce afin que l’imprimante à jet d’encre puisse lire le modèle CAO du PCB. Appuyez sur Finest pour effectuer des ajustements fins.
- Concevez le motif du collecteur de courant et de la ligne EDLC sous une forme interdigitée. Concevez le motif d’électrolyte polymère en gel (GPE) et les tampons collecteurs de courant sous une forme rectangulaire (Figure 1).
REMARQUE: Largeur du motif: 43 mm, hauteur du motif: 55 mm, longueur de ligne: 40 mm, largeur de ligne: 1,0 mm, espace ligne à ligne: 1,5 mm et taille du tampon: 15 x 5 mm2.- Étant donné que le motif final se compose de trois types (ligne conductrice, EDLC et GPE), définissez les trois couches comme suit.
- Cliquez sur Paramètres d’affichage et de calque dans l’ordre en haut de la fenêtre. Créez de nouveaux calques en cliquant sur le bouton Nouveau calque en bas à gauche de la fenêtre Calques visibles .
- Dans la nouvelle fenêtre (Nouveau calque), définissez le nom et la couleur du nouveau calque. Pour distinguer visuellement les calques, définissez les noms des trois calques sur Collecteur actuel, EDLC et GPE, puis modifiez les couleurs correspondantes en cliquant sur la case à droite de Couleur.
- Appuyez sur Ligne en bas à gauche de l’écran, cliquez sur le champ principal (fond noir) et faites glisser pour tracer une ligne. Pour modifier l’épaisseur de la ligne, entrez la valeur Largeur située en haut au centre à l’échelle du pouce (1,0 mm = 0,0393701 pouce).
- Pour modifier la longueur d’une ligne, cliquez avec le bouton droit de la souris sur la ligne et cliquez sur Propriétés en bas. Dans les champs De et À , entrez les valeurs x et y des points de départ et de fin.
- Pour définir le point de référence du motif, définissez le coin supérieur gauche du motif illustré à la figure 1 sur (0,0). Dessinez le reste du modèle en fonction des informations ci-dessus.
- Pour définir le motif dessiné sur le calque souhaité, cliquez avec le bouton droit sur le motif et cliquez sur Propriétés. Ensuite, cliquez sur Calque et choisissez le calque souhaité.
- Pour dessiner des motifs rectangulaires du pavé collecteur actuel et du GPE, appuyez sur Rect en bas à gauche de la fenêtre principale. Cliquez et faites glisser sur l’écran (champ principal) où le motif précédemment dessiné existe.
- Pour modifier, cliquez avec le bouton droit sur la surface rectangulaire et cliquez sur Propriétés en bas. Entrez la valeur en haut à gauche (x,y) et la valeur en bas à droite (x,y) du rectangle dans les champs De et À , respectivement. Définissez le rectangle sur le calque souhaité comme indiqué à l’étape 1.4.5.
- Étant donné que le motif final se compose de trois types (ligne conductrice, EDLC et GPE), définissez les trois couches comme suit.
- Convertissez le fichier CAO du motif conçu dans le format de fichier Gerber lu par l’imprimante à jet d’encre.
- Avant de convertir le fichier de modèle conçu, enregistrez le fichier Board au format .brd. Pour enregistrer, cliquez sur Fichier, puis sur Enregistrer (ou appuyez sur Ctrl + S sur le clavier).
- Après l’enregistrement, cliquez sur Fichier en haut de la fenêtre et cliquez sur Processeur CAM. Pour créer un fichier Gerber du calque souhaité, modifiez les éléments sous Gerber des fichiers de sortie sur le côté gauche de la fenêtre, comme suit.
- Tout d’abord, supprimez les sous-listes telles que Top Copper et Bottom Copper en appuyant sur le '-' ci-dessous. Appuyez sur '+' et cliquez sur Nouvelle sortie Gerber pour créer une sortie Gerber.
- Sur le côté droit de l’écran, définissez le nom du calque dans Nom et fonction sur Cuivre en appuyant sur l’engrenage à droite. Définissez Type de calque sur Top et définissez Gerber Layer Number du collecteur de courant, EDLC et GPE sur L1, L2, L3, respectivement.
- Dans la fenêtre Calques en bas du fichier Gerber, cliquez sur Modifier les calques en bas à gauche et sélectionnez chaque calque souhaité.
- Pour définir le nom du fichier de sortie à créer, définissez le nom de fichier Gerber de Sortie en bas de la fenêtre sur %PREFIX/%NAME.gbr.
- Enfin, cliquez sur Enregistrer le travail en haut à gauche de la fenêtre pour enregistrer les paramètres. Cliquez sur Process Job en bas à droite pour créer un fichier Gerber.
2. Synthèse de l’encre
REMARQUE: L’encre Ag flexible est utilisée comme encre conductrice pour la ligne de collecteur et les tampons actuels.
- Préparez l’encre EDLC en utilisant du terpinéol, de l’éthylcellulose, du charbon actif (AC), du Super-P, du difluorure de polyvinylidène (PVDF) et du Triton-X comme suit.
- Utiliser 2 951 μL de terpinéol à haute viscosité comme solvant et 1,56 g d’éthylcellulose comme épaississant. Réglez le rapport ac/super-P à PVDF sur 7:2:1 avec un poids total de 1,8478 g. De plus, utilisez 49 μL de Triton-X comme tensioactif pour le mélange.
- Mélanger tous les matériaux pendant 30 min à l’aide d’un mélangeur planétaire. Placez le matériau d’électrode bien mélangé dans une cartouche pour l’imprimante à jet d’encre et centrifugez-le à 115 x g pendant 5 min.
- Préparez l’encre GPE en utilisant du carbonate de propylène (PC), du PVDF et du perchlorate de lithium (LiClO4) comme suit.
- Utilisez le PC comme solvant, le PVDF comme matrice polymère et le LiClO4 comme sel. Peser tous les composants du GPE de telle sorte que la concentration molaire finale de LiClO4 soit de 1 M et que le pourcentage en poids final de PVDF soit de 5 % en poids.
- Remuer tous les composants à 140 °C pendant 1 h jusqu’à dissolution. Après avoir remué, refroidissez suffisamment l’encre GPE et placez-la dans la cartouche d’encre.
3. Configuration des paramètres du logiciel de l’imprimante à jet d’encre
- Exécutez le programme d’impression. Cliquez sur le bouton Imprimer , sélectionnez Simple, puis sélectionnez Encre conductrice flexible dans l’ordre indiqué à la figure 2.
- Téléchargez le fichier Gerber du motif conçu en suivant la flèche 1 de la figure 3. Choisissez et ouvrez le fichier Gerber de la ligne conductrice (voir 2 et 3 flèches de la figure 3). Cliquez sur le bouton SUIVANT comme indiqué par la flèche 4.
- Fixez la carte PCB comme illustré à la Figure 4A et montez la sonde comme illustré à la Figure 4B.
- Réglez le point zéro de l’imprimante PCB à travers la sonde en cliquant sur le bouton OUTLINE (voir la flèche rouge 1,4 de la figure 5).
REMARQUE: La sonde se déplace sur la carte PCB tout en montrant le contour du motif (voir en bas à droite de la figure 5). - Déplacez l’image du motif à l’écran en la faisant glisser (voir la flèche pointillée jaune de la figure 5). Cliquez à nouveau sur le bouton OUTLINE pour vérifier si la sonde se déplace sur le chemin souhaité. Cliquez sur SUIVANT (indiqué par la flèche 5 de la figure 5).
- Cliquez sur PROBE pour mesurer la hauteur du substrat afin de vérifier si le substrat est plat (Figure 6).
REMARQUE: La région de sondage sur le substrat est automatiquement sélectionnée par le programme intégré à l’imprimante. - Retirez la sonde une fois la mesure de la hauteur terminée. Insérez la cartouche d’encre dans le distributeur d’encre et connectez la buse (diamètre intérieur: 230 μm) pour préparer le distributeur.
- Montez chaque distributeur d’encre (ligne conductrice, EDLC, GPE) et imprimez un modèle d’échantillon en appuyant sur le bouton CALIBRER , tout en ajustant les paramètres de chaque encre (Figure 7).
- Vérifiez visuellement le résultat d’impression et enregistrez les valeurs des paramètres pour chaque encre. Voir Résultats représentatifs pour plus de détails.
4. Impression de la ligne conductrice
REMARQUE : Depuis les étapes 4.1. à 4.7. chevauchent la section 3, ils ne sont que brièvement résumés ci-dessous.
- Exécutez le programme d’imprimante à jet d’encre et cliquez sur Imprimer dans le menu Démarrer et sélectionnez Simple (Figure 1).
- Cliquez sur le bouton Choisir un fichier à côté de Ink pour charger le fichier de motif conçu et cliquez sur SUIVANT (Figure 3).
- Fixez la carte PCB sur l’imprimante et installez la sonde (Figure 4).
- Vérifiez la position du motif sur le substrat et mesurez la hauteur du substrat (Figure 5 et Figure 6).
- Retirez la sonde, puis montez le distributeur d’encre conductrice (encre Ag flexible).
- Modifiez les paramètres logiciels de l’encre conductrice en cliquant sur le bouton Paramètres (voir Figure 7 et Tableau 1).
- Imprimez un exemple de modèle pour vérifier si le paramètre de l’étape 4.6 réussit.
- Effacez le motif d’impression de l’échantillon avec une lingette nettoyante humidifiée à l’éthanol.
- Imprimez le motif conçu de la ligne conductrice en appuyant sur le bouton START .
- Après l’impression, durcir la ligne conductrice à 180 °C pendant 30 min. Ensuite, mesurez le poids combiné du substrat et de la ligne conductrice.
5. Impression de la ligne EDLC
- Sélectionnez l’option Aligné sur l’écran de démarrage du programme d’impression. Chargez le fichier de motif de ligne EDLC et cliquez sur SUIVANT (voir étape 3.2).
- Assurez-vous que la position de la ligne conductrice est détectée à travers deux points d’alignement pour aligner les positions de motif de la ligne EDLC et de la ligne conductrice. Ensuite, déplacez-vous vers un point aléatoire et vérifiez si l’emplacement est correct.
- Mesurez la hauteur totale de la ligne conductrice pour vérifier la hauteur de la buse du distributeur au-dessus de la ligne conductrice en cliquant sur le bouton PROBE (voir Figure 6).
- Modifiez les valeurs des paramètres logiciels des encres EDLC (Figure 7 et Tableau 1).
- Imprimez un exemple de modèle pour vérifier si les valeurs des paramètres logiciels sont appropriées. Effacez le motif d’impression de l’échantillon avec une lingette nettoyante humidifiée à l’éthanol. Imprimez la ligne EDLC en appuyant sur le bouton START .
- Séchez la ligne EDLC imprimée pendant la nuit à température ambiante pour évaporer le solvant.
- Pour calculer le poids de la ligne EDLC séchée, mesurez le poids combiné du substrat, de la ligne conductrice et de la ligne EDLC.
6. Impression du modèle GPE
- Sélectionnez l’option Aligné sur l’écran de démarrage du programme d’impression. Chargez le fichier Gerber du modèle GPE et cliquez sur SUIVANT (voir étape 3.2).
- Vérifiez les points d’alignement et déplacez-vous vers n’importe quel point pour vérifier si la position est correcte.
- Mesurez la hauteur de la ligne EDLC pour définir la hauteur par défaut de la buse.
- Modifiez les valeurs des paramètres logiciels des encres GPE (Figure 7 et Tableau 1).
- Imprimez un exemple de modèle pour vérifier si les valeurs des paramètres logiciels sont appropriées.
- Effacez le motif d’impression de l’échantillon avec une lingette nettoyante humidifiée à l’éthanol. Imprimez le modèle GPE.
- Pour avoir un processus de stabilisation et évaporer le solvant résiduel, sécher le motif GPE à température ambiante pendant 24 h.
7. Essai électrochimique
- Effectuez les mesures électrochimiques pour le supercondensateur à jet d’encre en suivant les étapes ci-dessous. Allumez le potentiostat et exécutez le programme pour mesurer la voltampérométrie cyclique (CV), la charge/décharge galvanostatique (GCD) et la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS).
- Connectez le potentiostat au dispositif de supercondensateur imprimé précédemment.
REMARQUE: Quatre lignes de connexion sont utilisées dans le potentiostat: l’électrode de travail (WE), le capteur de travail (WS), la contre-électrode (CE) et l’électrode de référence (RE). - Connectez la ligne WS à la ligne WE et la ligne RE à la ligne CE car le dispositif fabriqué est un supercondensateur symétrique.
- Connectez la ligne WE\WS et la ligne CE\RE aux tampons collecteurs de courant opposés sur le dispositif de supercondensateur.
- Connectez le potentiostat au dispositif de supercondensateur imprimé précédemment.
- Générez une séquence de CV et exécutez-la pour obtenir le résultat.
- Exécutez le programme pour générer le fichier de séquence.
- Cliquez sur le bouton Nouvelle séquence .
- Cliquez sur le bouton Ajouter pour générer l’étape 1.
- Vérifiez si le potentiel affiché par le potentiostat est de 0 V ou non. Si le potentiel n’est pas de 0 V, procédez comme suit.
- Définissez Contrôle sur CONSTANT et pour Configuration, définissez Type sur PSTAT, Mode sur NORMAL et Plage sur AUTO. Pour Tension (V), définissez Réf. comme Eref, et Valeur comme 0.
- Pour Condition-1 de Condition de coupure, définissez Item comme Step Time, OP sur >=, DeltaValue sur 1:00 et Go Next sur Next. Pour le paramètre Divers , appuyez sur le bouton Échantillonnage et définissez Item sur Time(s), OP sur >= et DeltaValue sur 30.
- Cliquez sur le bouton Ajouter pour créer l’étape suivante.
- Définissez Control sur SWEEP et pour Configuration, définissez Type sur PSTAT, Mode sur CYCLIC et Range sur AUTO. Pour Initial (V) et Middle (V), définissez Ref. comme Eref, Value sur 0. Pour Final (V), définissez Réf. comme Eref et Value sur 800.00e-3.
- Utilisez des débits de balayage de tension de 5, 10, 20, 50 et 100 mV/s. Par conséquent, en fonction de chaque taux d’analyse, définissez Scanrate (V/s) sur 5.0000e-3, 10.000e-3, 20.000e-3, 50.000e-3 et 100.00e-3, respectivement.
- Pour toutes les vitesses d’analyse, définissez temps(s) de silence sur 0 et Segments sur 21. Pour Condition-1 de Condition de coupure, définissez Item comme Step End et Go Next ( Suivant).
- Pour le paramètre Divers, appuyez sur le bouton Échantillonnage et définissez Item sur Time(s) et OP sur >=. Pour chaque taux d’analyse, définissez DeltaValue sur 0,9375, 0,5, 0,25, 0,125 et 0,0625.
- Cliquez sur le bouton Enregistrer sous pour enregistrer le fichier de séquence du test CV.
- Cliquez sur Appliquer à CH et exécutez le fichier de séquence du test CV pour obtenir le résultat.
- Générez une séquence de GCD et exécutez-la pour obtenir le résultat.
- Exécutez le programme pour générer le fichier de séquence.
- Cliquez sur le bouton Nouvelle séquence .
- Cliquez sur le bouton Ajouter pour générer l’étape 1.
- Vérifiez si le potentiel affiché par le potentiostat est de 0 V ou non. Si le potentiel n’est pas de 0 V, procédez comme suit.
- Définissez Contrôle sur CONSTANT et pour Configuration, définissez Type sur PSTAT, Mode sur NORMAL et Plage sur AUTO. Pour Tension (V), définissez Réf. comme Eref, Valeur sur 0.
- Pour Condition-1 de Condition de coupure, définissez Item comme Step Time, OP sur >=, DeltaValue sur 1:00 et Go Next sur Next. Pour le paramètre Divers, appuyez sur le bouton Échantillonnage et définissez Item sur Time(s), OP sur >= et DeltaValue sur 30.
- Cliquez sur le bouton Ajouter pour créer l’étape suivante (étape de charge).
- Définissez Contrôle sur CONSTANT et pour Configuration, définissez Type sur GSTAT, Mode sur NORMAL et Plage sur AUTO. Pour Courant (A), définissez Réf. sur ZÉRO.
- La densité de courant varie entre 0,01 A/g et 0,02 A/g. Par conséquent, définissez la valeur du courant (A) pour chaque densité de courant sur 310,26e-6 et 620,52e-6.
- Pour condition 1 de condition de coupure , définissez Item sur Voltage, OP sur >=, DeltaValue sur 800.00e-3 et Go Next sur Next. Pour le paramètre Divers, définissez Item sur Time(s), OP sur >= et DeltaValue sur 1.
- Cliquez sur le bouton Ajouter pour créer l’étape suivante (étape de décharge).
REMARQUE: Cette étape est définie de la même manière que l’étape de charge.- Définissez la valeur du courant (A) pour chaque densité de courant sur -310.26e-6 et -620.52e-6.
- Pour condition 1 de la condition de coupure , définissez Item sur Voltage, OP sur <=, DeltaValue sur 0,0000e+0 et Sur Next (Suivant). Pour le paramètre Divers, définissez Item sur Time(s), OP sur >= et DeltaValue sur 1.
- Cliquez sur le bouton Ajouter pour créer l’étape suivante (étape boucle).
- Définissez Control sur LOOP et pour Configuration sur Type sur Cycle et Iteration sur 21.
- Pour la condition 1 de la condition de coupure, définissez l’élément de la liste 1 comme boucle suivante. Pour chaque densité de courant, définissez Go Next sur STEP-2 pour 0,01 A/g et STEP-5 sur 0,02 A/g.
- Cliquez sur le bouton Enregistrer sous pour enregistrer le fichier de séquence du test GCD.
- Cliquez sur Appliquer à CH et exécutez le fichier de séquence du test GCD pour obtenir le résultat.
- Générez une séquence d’EIS et exécutez-la pour obtenir le résultat.
- Exécutez le programme qui peut générer le fichier de séquence.
- Cliquez sur le bouton Nouvelle séquence .
- Cliquez sur le bouton Ajouter pour générer l’étape 1.
- Définissez Control sur CONSTANT et pour Configuration, définissez Type sur PSTAT, Mode sur TIMER STOP et Range sur AUTO.
- Comme la fenêtre de potentiel de fonctionnement dans cette étude est définie sur 0,0 à 0,8 V, pour Tension, définissez Valeur à 400,00e-3, qui est la valeur moyenne de la fenêtre de potentiel de fonctionnement. Définissez Réf. comme Eref.
- Cliquez sur le bouton Ajouter pour générer l’étape suivante.
- Définissez Control sur EIS et pour Configuration, définissez Type sur PSTAT, Mode sur LOG et Range sur AUTO.
- Réglez la gamme de fréquences sur 0,1 Hz à 1 MHz. Par conséquent, réglez Initial (Hz) et Middle (Hz) sur 100.00e+6, et Final (Hz) sur 100.00e-3.
- Comme mentionné à la section 7.4.3.2, définissez valeur du biais (V) sur 400.00e-3 et définissez La référence sur Eref.
- Pour maintenir une réponse linéaire, définissez l’amplitude (Vrms) sur 10.000e-3.
- Définissez Densité sur 10 et Itération sur 1 pour cette expérience.
- Cliquez sur le bouton Enregistrer sous pour enregistrer le fichier de séquence du test GCD.
- Cliquez sur Appliquer à CH et exécutez le fichier de séquence du test EIS pour obtenir le résultat.
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Representative Results
L’encre a été synthétisée selon l’étape 2, et les caractéristiques de l’encre ont pu être confirmées selon la référence18. La figure 8 montre les propriétés structurelles de l’encre conductrice et de l’encre EDLC, ainsi que les propriétés rhéologiques de l’encre EDLC rapportées dans la recherche précédente18. L’encre conductrice est bien frittée pour former des chemins conducteurs continus, et la rugosité à l’échelle nanométrique devrait augmenter la zone de contact avec l’encre EDLC (Figure 8A, B). L’encre EDLC est uniformément distribuée à l’échelle macroscopique mais a une forme de surface très rugueuse à l’échelle micro et nanométrique, ce qui peut fournir une surface élevée et améliorer la capacité de stockage d’énergie. Tous les composants sont bien dispersés et aucun élément visible ne pourrait provoquer un colmatage lors de l’impression (Figure 8C-F). La figure 8G présente l’évolution temporelle de la viscosité apparente de l’encre EDLC. La valeur de viscosité augmente avec le temps de cisaillement et ne montre pas de comportement viscoélastique; il indique un comportement d’épaississement par cisaillement sans extension, étirement ou réarrangement structurel induit par les contraintes.
Un supercondensateur imprimé a été obtenu avec succès à l’aide du protocole actuel (Figure 9B). La qualité d’impression est considérée comme bonne si le motif imprimé présente moins ou pas de défauts (comparez la figure 9B avec 9A), une rugosité de surface minimale et une épaisseur uniforme. Les principaux paramètres qui affectent la qualité de la méthode d’impression à jet d’encre sont la vitesse d’avance, le coup de pied, la longueur de coupe, la distance anti-cordage, le point de consigne rhéologique et le rapport démarrage/arrêt progressif. Dans cette étude, les résultats d’impression de la ligne GPE et de la ligne (ou couche) EDLC ont été évalués en fonction des résultats d’impression de la ligne conductrice.
La vitesse d’avance et la vitesse de déplacement de l’axe XY pendant la distribution déterminent le temps d’impression global. Ils ont également un impact significatif sur l’épaisseur de la ligne et la prévention des problèmes de coupure. Toutes les lignes étaient uniformes sans déconnexion visible lorsque la vitesse d’alimentation était minimale (100 mm/min) (figure 10A); cependant, il a fallu beaucoup de temps pour imprimer le produit. En revanche, le temps d’impression global diminuait lorsque la vitesse d’alimentation était maximale (600 mm/min) (figure 10D); cependant, par rapport aux résultats imprimés avec une vitesse d’alimentation de 500 mm/min (Figure 10C), la ligne a été coupée ou fissurée parce que le distributeur se déplaçait rapidement. Une vitesse d’alimentation de 300 mm/min s’avère optimale pour un temps d’impression correct et pour éviter la formation de fissures (Figure 10B). Kick contrôle la pression appliquée via la longueur de course du piston dans le distributeur. Toutes les lignes ont été déconnectées lorsque le coup de pied était trop bas (la valeur minimale est égale à 0,1 mm). Cependant, la pression élevée à un coup de pied élevé (la valeur maximale est égale à 0,7 mm) a créé un goulot d’étranglement entraînant le colmatage de la buse. Par conséquent, il est nécessaire d’utiliser une valeur appropriée de coup de pied (0,35 mm) afin que la ligne ne se brise pas et que la buse ne se bouche pas (Figure 11).
La longueur de garniture est la distance maximale parcourue pour une distribution et a une valeur allant de 1 mm à 9999 mm. L’imprimante imprime grossièrement et prend beaucoup de temps lorsque la longueur de coupe est de 1 mm. Par conséquent, la longueur de garniture doit être ajustée en fonction de la longueur totale du motif. Dans ce protocole, la longueur de garniture a été fixée à 120 mm (figure 12). Un cordage peut être formé à l’extrémité de la buse car l’adhérence de l’encre à la buse est supérieure à l’adhérence de l’encre au substrat en fonction de l’énergie de surface de l’encre. La distance anti-cordage aide à briser le cordage en toute sécurité en repoussant la buse vers l’arrière (Figure 13). Le point de consigne rhéologique est un paramètre qui compense le débit pour maintenir la pression après distribution. La quantité de distribution n’augmente pas même après l’impression d’un motif lorsque le point de consigne rhéologique est à sa valeur minimale (0,0). Cependant, la quantité de distribution et le débit de l’encre augmentent lorsque le point de consigne rhéologique est à la valeur maximale (1,0). De plus, le colmatage se produit en raison de l’effet de goulot d’étranglement lorsque le point de consigne rhéologique est élevé. Ainsi, le point de consigne rhéologique doit être ajusté en fonction de la viscosité et de la compressibilité de l’encre (Figure 14).
Le rapport démarrage/arrêt progressif est un paramètre qui ajuste la différence entre le moment où le coup de pied (pressurisation) démarre et le moment où le débit est stabilisé en fonction des propriétés de l’encre (Figure 15). Au cours de l’expérience de contrôle de configuration des paramètres logiciels, il est difficile d’observer une variation dans l’impression en raison des modifications de l’espace de passage et de la valeur du paramètre de pénétration de trace. Par conséquent, ces deux paramètres doivent être fixés séparément en fonction du modèle conçu. Les résultats de l’expérience de contrôle de configuration sont les suivants : l’espacement des passages, la pénétration des traces et la longueur de coupe doivent être ajustés en fonction du motif à imprimer. De plus, la vitesse d’avance, la distance anti-cordage, le coup de pied, le rapport démarrage/arrêt progressif et le point de consigne rhéologique doivent être ajustés en fonction des propriétés de l’encre. Par conséquent, les valeurs des paramètres logiciels pour différentes encres (encre conductrice, encre EDLC et encre GPE) ont été fixées comme indiqué dans le tableau 1.
Les données électrochimiques ont été obtenues comme décrit à l’étape 7 du protocole. La figure 16A, B, C présente les données CV, GCD et EIS, respectivement. Les données présentées à la figure 16A ont été obtenues grâce à la mesure du CV. La capacité gravimétrique, la capacité surfacique et la capacité cellulaire ont été calculées à 5,74 F/g, 142 mF/cm2 et 178 mF/cellule, respectivement, pour une vitesse de balayage de 5 mV/s. Les graphiques GCD (Figure 16B) montrent une forme de courbe presque symétrique, qui est la propriété caractéristique de l’EDLC. De plus, le graphique EIS (figure 16C) illustre une faible valeur Rs (5,29 Ω) et aucune valeur Rct, qui sont typiques de l’EDLC.
Figure 1 : Modèle interdigité conçu avec un programme de CAO. Les deux tampons en haut du motif sont imprimés uniquement avec une encre collectrice actuelle. Le grand carré bleu ciel est imprimé avec une encre électrolytique polymère gel, et les lignes bleues sont imprimées avec l’encre de ligne EDLC et l’encre collectrice de courant. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Image de la fenêtre du programme d’impression. (A) Premier écran du programme. La flèche rouge indique où se trouve le bouton Imprimer. (B) Le deuxième écran du programme. La flèche rouge indique où se trouve le bouton Simple. (C) Le troisième écran du programme. La flèche rouge indique quelle encre doit être sélectionnée. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Capture d’écran montrant comment télécharger le fichier Gerber du motif conçu. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Capture d’écran montrant comment réparer la carte PCB et monter la sonde. (A) Image en vue de dessus de l’imprimante jet d’encre qui contient la carte PCB. (B) L’image de face de l’imprimante à jet d’encre sur laquelle la sonde est montée. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Capture d’écran montrant comment vérifier le mouvement de la sonde lorsque la position du motif est modifiée. Veuillez cliquer ici pour afficher une version plus grande de cette figure.
Figure 6 : Capture d’écran montrant comment mesurer la hauteur de surface. Après avoir cliqué sur PROBE, la sonde se rend à l’endroit indiqué sur le substrat (désigné par des cercles), puis se déplace vers le bas et vers le haut pour vérifier la hauteur du substrat. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 7 : Capture d’écran montrant comment ajuster les paramètres du logiciel et imprimer l’exemple de modèle. (A) Image de capture d’écran montrant la procédure d’impression d’un modèle d’échantillon. La flèche rouge indique le bouton pour imprimer l’exemple de motif et la flèche jaune indique le bouton pour contrôler les paramètres logiciels des encres. (B) Une fenêtre qui apparaît lorsque vous appuyez sur la flèche jaune indiquée en (A). Les paramètres logiciels peuvent être modifiés en changeant les valeurs indiquées par la flèche 1. Appuyez sur la flèche 2 pour enregistrer les modifications apportées aux paramètres du logiciel. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 8 : Image SEM des encres et des couches imprimées, et viscosité de l’encre EDLC. (A,B) Images SEM en vue de dessus du collecteur de courant à (A) faible grossissement et (B) grossissement élevé. (C) Image SEM inclinée de la vue latérale du film de couche active EDLC imprimé. (D-F) Vues de dessus des images SEM de la couche active EDLC avec différents grossissements. (G) Viscosité apparente de l’encre EDLC par rapport au temps de cisaillement pour une expérience de vitesse de cisaillement constante de 0,3 s-1. Adapté avec l’autorisation de reference18. Droits d’auteur (2020) American Chemical Society. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 9: Photographie des résultats imprimés. (A) Photo de l’échec d’impression; la partie encerclée rouge est imprimée de manière inégale en raison d’un échec d’impression. (B) Photographie du produit imprimé final. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 10 : Résultats d’impression correspondant à la variation de la vitesse d’alimentation. (A) 100 mm/min, (B) 300 mm/min, (C) 500 mm/min et (D) 600 mm/min. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 11: Résultats d’impression correspondant aux changements de coup de pied. (A) 0,1 mm, (B) 0,2 mm, (C) 0,35 mm et (D) 0,7 mm. Veuillez cliquer ici pour afficher une version plus grande de cette figure.
Figure 12: Résultats d’impression correspondant aux modifications de la longueur de la garniture. (A) 1,0 mm et (B) 50 mm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 13: Les images montrant comment le distributeur se déplace par le réglage du paramètre de distance anti-cordage. (A) Mouvement de la buse lorsque la valeur de distance anti-cordage est fixée à la valeur maximale (5,0 mm). (B) Photographie de cordage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 14: Résultats d’impression correspondant à la variation du changement de consigne rhéologique. (A) 0 et (B) 1.0. Les cercles rouges en (B) montrent les fissures (ou trous) causées par l’effet de colmatage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 15 : Résultats d’impression correspondant à la modification du rapport démarrage/arrêt progressif. La rotation en dents de scie dans le sens des aiguilles d’une montre (flèche rouge) indique le début de l’impression. (A) Valeur maximale de démarrage progressif et valeur minimale d’arrêt progressif, ainsi que (B) valeur minimale de démarrage progressif et valeur maximale d’arrêt progressif. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 16: Résultats des essais électrochimiques du supercondensateur imprimé. (A) CV, (B) GCD et (C) EIS graphiques. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Paramètre | Encre conductrice | Encre EDLC | Encre GPE |
| Espacement des passes (mm) | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
| Hauteur de distribution (mm) | 0.12 | 0.14 | 0.16 |
| Débit d’alimentation (mm/min) | 500 | 300 | 300 |
| Longueur de garniture (mm) | 120 | 120 | 120 |
| Pénétration à l’état de traces (mm) | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
| Distance anti-cordage (mm) | 0.4 | 0.7 | 0.1 |
| Coup de pied (mm) | 0.35 | 0.3 | 0.4 |
| Ratio de démarrage progressif | 0.1 | 0.8 | 0.8 |
| Rapport d’arrêt progressif | 0.15 | 0.1 | 0.15 |
| Point de consigne rhéologique | 0.16 | 0.2 | 0.16 |
Tableau 1. Paramètres logiciels optimisés pour l’encre conductrice, l’encre EDLC et l’encre GPE.
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Discussion
Les étapes critiques de ce protocole sont impliquées dans la configuration des paramètres logiciels pour imprimer le modèle conçu en ajustant finement les valeurs des paramètres. L’impression personnalisée peut conduire à l’optimisation structurelle et à l’obtention de nouvelles propriétés mécaniques19. La méthode d’impression à jet d’encre avec contrôle logiciel des paramètres peut être utilisée pour une impression sophistiquée dans diverses industries en sélectionnant le matériau optimisé pour le processus d’impression.
Dans la fabrication de supercondensateurs à l’aide de l’impression à jet d’encre, un papier a signalé qu’il y avait encore une limite au développement d’un motif à haute résolution uniforme. Il a été rapporté qu’un post-traitement à haute température est toujours nécessaire et que le processus d’optimisation du matériau est indispensable20. Un autre article a rapporté que pour utiliser correctement l’impression à jet d’encre, il est nécessaire d’ajuster la viscosité et la tension superficielle dans une plage relativement étroite qui dépend de l’imprimante. À cette fin, la concentration du matériau actif de l’encre est limitée. Dans certains cas, il a été noté que plusieurs impressions sont nécessaires pour déposer une quantité suffisante de matériel21. Conformément à cette tendance, ce protocole peut aider les chercheurs à mettre en œuvre des modèles avec une résolution plus élevée en fournissant des méthodes précises pour manipuler les imprimantes à jet d’encre. De plus, avec la maîtrise du contrôle logiciel, on peut simplifier le processus de fabrication en ajustant les paramètres logiciels tels que feed rate et Kick sans avoir à imprimer plusieurs fois pour déposer suffisamment de matériel.
Le contrôle des paramètres logiciels pour une impression précise peut être effectué selon le protocole présenté. Cependant, certains goulots d’étranglement doivent être résolus pour améliorer les performances du périphérique en fonction de la méthode d’impression. Divers problèmes, tels que l’étalement de l’encre et l’effet de colmatage, nécessitent l’optimisation des caractéristiques de l’encre elle-même ainsi que l’ajustement des valeurs des paramètres logiciels22. Les deux propriétés les plus cruciales de l’encre sont la viscosité et la tension superficielle23. Par conséquent, la viscosité24 et la tension superficielle25 de l’encre doivent être mesurées et contrôlées pour son optimisation. Pour améliorer les performances, il est également important de bien comprendre les propriétés des encres et de sélectionner des matériaux avec des ratios appropriés.
En résumé, un protocole est établi ici pour utiliser l’impression à jet d’encre pour l’impression d’un dispositif de supercondensateur. Une discussion sur les paramètres logiciels contrôlant l’imprimante à jet d’encre a été fournie ici comme un guide utile pour la manipulation et l’optimisation des processus d’impression sophistiqués. De nouveaux progrès dans l’impression de dispositifs portables pour le stockage d’énergie, les capteurs flexibles et l’industrie aérospatiale peuvent être réalisés grâce à l’optimisation des matériaux d’encre.
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Disclosures
Les auteurs n’ont aucune divulgation.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par la Korea Electric Power Corporation (numéro de subvention: R21XO01-24), le programme de développement des compétences pour les spécialistes de l’industrie du MOTIE coréen exploité par KIAT (No. P0012453), et la bourse de recherche supérieure de l’Université Chung-Ang 2021.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2” x 3” FR4 board | Voltera | SKU: 1000066 | PCB substrate |
| Activated carbon | MTI | Np-Ag-0530HT | |
| Eagle CAD | Autodesk | PCB CAD program | |
| Ethyl cellulose | Sigma Aldrich | 46070 | 48.0-49.5% (w/w) ethoxyl basis |
| Flex 2 conductive ink | Voltera | SKU: 1000333 | Flexible Ag ink |
| Lithium perchlorate | Sigma Aldrich | 634565 | |
| Propylene carbonate | Sigma Aldrich | 310328 | |
| PVDF | Sigma Aldrich | 182702 | average Mw ~534,000 by GPC |
| Smart Manager | ZIVE LAB | ver : 6. 6. 8. 9 | Electrochemical analysis program |
| Super-P | Hyundai | ||
| Terpineol | Sigma Aldrich | 432628 | |
| Thinky mixer | Thinky | ARE-310 | Planetary mixer |
| Triton-X | Sigma Aldrich | X100 | |
| V-One printer | Voltera | SKU: 1000329 | PCB printer |
| ZIVE SP1 | Wonatech | Potentiostat device |
References
- 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. 4 (5), (2018).
- Joshi, S. C., Sheikh, A. A. 3D printing in aerospace and its long-term sustainability. Virtual and Physical Prototyping. 10 (4), 175-185 (2015).
- Wang, S., et al. Paper-based chemiluminescence ELISA: Lab-on-paper based on chitosan modified paper device and wax-screen-printing. Biosensors and Bioelectronics. 31 (1), 212-218 (2012).
- Vohra, V., et al. Low-cost and green fabrication of polymer electronic devices by push-coating of the polymer active layers. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (30), 25434-25444 (2017).
- Schüffelgen, P., et al. Selective area growth and stencil lithography for in situ fabricated quantum devices. Nature Nanotechnology. 14 (9), 825-831 (2019).
- Karim, N., Afroj, S., Tan, S., Novoselov, K. S., Yeates, S. G. All inkjet-printed graphene-silver composite ink on textiles for highly conductive wearable electronics applications. Scientific Reports. 9 (1), 8035 (2019).
- Singh, M., Haverinen, H. M., Dhagat, P., Jabbour, G. E. Inkjet printing-Process and its applications. Advanced Materials. 22 (6), 673-685 (2010).
- An, B., et al. Three-dimensional multi-recognition flexible wearable sensor via graphene aerogel printing. Chemical Communications. 52 (73), 10948-10951 (2016).
- Ko, S. H., Chung, J., Hotz, N., Nam, K. H., Grigoropoulos, C. P. Metal nanoparticle direct inkjet printing for low-temperature 3D micro metal structure fabrication. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20 (12), 125010 (2010).
- Li, J., et al.
- Burke, A. Ultracapacitors: why, how, where is the technology. Journal of Power Sources. 91 (1), 37-50 (2000).
- Qorbani, M., Khajehdehi, O., Sabbah, A., Naseri, N. Ti-rich TiO2 tubular nanolettuces by electrochemical anodization for all-solid-state high-rate supercapacitor devices. ChemSusChem. 12 (17), 4064-4073 (2019).
- Areir, M., Xu, Y., Harrison, D., Fyson, J. 3D printing of highly flexible supercapacitor designed for wearable energy storage. Materials Science and Engineering: B. 226, 29-38 (2017).
- Fialkov, A. S. Carbon application in chemical power sources. Russian Journal of Electrochemistry. 36 (4), 345-366 (2000).
- Pandolfo, A. G., Hollenkamp, A. F. Carbon properties and their role in supercapacitors. Journal of Power Sources. 157 (1), 11-27 (2006).
- Egorov, V., Gulzar, U., Zhang, Y., Breen, S., O'Dwyer, C. Evolution of 3D printing methods and materials for electrochemical energy storage. Advanced Materials. 32 (29), 2000556 (2020).
- Seol, M. -L., et al. All-printed in-plane supercapacitors by sequential additive manufacturing process. ACS Applied Energy Materials. 3 (5), 4965-4973 (2020).
- Park, S. H., Kaur, M., Yun, D., Kim, W. S. Hierarchically designed electron paths in 3D printed energy storage devices. Langmuir. 34 (37), 10897-10904 (2018).
- Sajedi-Moghaddam, A., Rahmanian, E., Naseri, N. Inkjet-printing technology for supercapacitor application: Current state and perspectives. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (31), 34487-34504 (2020).
- Komuro, N., Takaki, S., Suzuki, K., Citterio, D. Inkjet printed (bio)chemical sensing devices. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 405 (17), 5785-5805 (2013).
- Kim, J., Kumar, R., Bandodkar, A. J., Wang, J. Advanced materials for printed wearable electrochemical devices: A review. Advanced Electronic Materials. 3 (1), 1600260 (2017).
- Calvert, P. Inkjet printing for materials and devices. Chemistry of Materials. 13 (10), 3299-3305 (2001).
- Zhou, Z., et al. High-throughput characterization of fluid properties to predict droplet ejection for three-dimensional inkjet printing formulations. Additive Manufacturing. 29, 100792 (2019).
- Ebnesajjad, S. Handbook of Adhesives and Surface Preparation. Ebnesajjad, S. , William Andrew Publishing. 21-30 (2011).
