Summary
Dit artikel biedt een techniek voor het vervaardigen van op chips gebaseerde supercondensatoren met behulp van een inkjetprinter. Methodologieën worden in detail beschreven om inkten te synthetiseren, softwareparameters aan te passen en de elektrochemische resultaten van de gefabriceerde supercondensator te analyseren.
Abstract
Er zijn enorme inspanningen op verschillende gebieden om de inkjetprintmethode toe te passen voor de fabricage van draagbare apparaten, displays en energieopslagapparaten. Om producten van hoge kwaliteit te krijgen, zijn echter geavanceerde bedieningsvaardigheden vereist, afhankelijk van de fysieke eigenschappen van de inktmaterialen. In dit opzicht is het optimaliseren van de inkjetprintparameters net zo belangrijk als het ontwikkelen van de fysieke eigenschappen van de inktmaterialen. In deze studie wordt optimalisatie van de parameters van de inkjetprintsoftware gepresenteerd voor het fabriceren van een supercondensator. Supercondensatoren zijn aantrekkelijke energieopslagsystemen vanwege hun hoge vermogensdichtheid, lange levensduur en verschillende toepassingen als krachtbronnen. Supercondensatoren kunnen worden gebruikt in het Internet of Things (IoT), smartphones, draagbare apparaten, elektrische voertuigen (EV's), grote energieopslagsystemen, enz. Het brede scala aan toepassingen vereist een nieuwe methode die apparaten op verschillende schalen kan fabriceren. De inkjetprintmethode kan de conventionele fabricagemethode met vaste grootte doorbreken.
Introduction
In de afgelopen decennia zijn meerdere printmethoden ontwikkeld voor verschillende toepassingen, waaronder draagbare apparaten1, farmaceutische producten2 en lucht- en ruimtevaartcomponenten3. De bedrukking kan eenvoudig worden aangepast voor verschillende apparaten door eenvoudig de te gebruiken materialen te veranderen. Bovendien voorkomt het de verspilling van grondstoffen. Voor de productie van elektronische apparaten zijn verschillende drukmethoden ontwikkeld, zoals zeefdruk4, push-coating5 en lithografie6. In vergelijking met deze printtechnologieën heeft de inkjetprintmethode meerdere voordelen, waaronder minder materiaalverspilling, compatibiliteit met meerdere substraten7, lage kosten8, flexibiliteit9, verwerking bij lage temperaturen10 en gemak van massaproductie11. De toepassing van de inkjetprintmethode is echter nauwelijks gesuggereerd voor bepaalde geavanceerde apparaten. Hier presenteren we een protocol met gedetailleerde richtlijnen voor het gebruik van de inkjetprintmethode voor het afdrukken van een supercondensatorapparaat.
Supercondensatoren, waaronder pseudocondensatoren en elektrochemische dubbellaagse condensatoren (EDLC's), zijn in opkomst als energieopslagapparaten die conventionele lithium-ionbatterijen kunnen aanvullen12,13. EDLC is vooral een veelbelovend apparaat voor energieopslag vanwege de lage kosten, hoge vermogensdichtheid en lange levensduur14. Actieve kool (AC), met een hoog specifiek oppervlak en geleidbaarheid, wordt gebruikt als elektrodemateriaal in commerciële EDLC's15. Deze eigenschappen van AC zorgen ervoor dat EDLC's een hoge elektrochemische capaciteit hebben16. EDLC's hebben het passieve volume in apparaten wanneer de conventionele fabricagemethode met vaste grootte wordt gebruikt. Met inkjetprinten kunnen de EDLC's volledig worden geïntegreerd in het productontwerp. Daarom is het apparaat dat is vervaardigd met behulp van de inkjetprintmethode functioneel beter dan het apparaat dat is vervaardigd met bestaande methoden met een vast formaat17. De fabricage van EDLC's met behulp van de efficiënte inkjetprintmethode maximaliseert de stabiliteit en levensduur van EDLC's en biedt een vrije vormfactor18. De drukpatronen zijn ontworpen met behulp van een PCB CAD-programma en geconverteerd naar Gerber-bestanden. De ontworpen patronen zijn afgedrukt met behulp van een inkjetprinter omdat deze nauwkeurige softwaregestuurde controle, hoge materiaaldoorvoer en afdrukstabiliteit heeft.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Ontwerp van het patroon met behulp van PCB CAD-programma
- Voer het CAD-programma uit. Klik op de knop Bestand boven in het programmavenster. Om een nieuw projectbestand te vormen, klikt u op de knoppen Nieuw en Project .
- Om het bordbestand te genereren, klikt u op de knoppen Bestand, Nieuw en Bord in de volgorde. Stel de rastergrootte, meerdere en alt-waarden in door te klikken op de netvormige rasterknop linksboven in het gemaakte venster Bordbestand (of door boven in het venster op Weergave en raster in volgorde te klikken).
- Wijzig zowel de rastergrootte als de altwaarde van mm naar inch, zodat de inkjetprinter het CAD-patroon van de pcb kan lezen. Druk op Fijn om fijne aanpassingen te maken.
- Ontwerp het patroon van de huidige collector en EDLC-lijn in een onderling gedigiteerde vorm. Ontwerp het gelpolymeer elektrolyt (GPE) patroon en de stroomafscheiderpads in een rechthoekige vorm (figuur 1).
OPMERKING: Patroonbreedte: 43 mm, patroonhoogte: 55 mm, lijnlengte: 40 mm, lijnbreedte: 1,0 mm, lijn-tot-lijnruimte: 1,5 mm en padgrootte: 15 x 5 mm2.- Aangezien het uiteindelijke patroon uit drie typen bestaat (geleidende lijn, EDLC en GPE), stelt u de drie lagen als volgt in.
- Klik op Weergave- en laaginstellingen in de volgorde bovenaan het venster. Maak nieuwe lagen door te klikken op de knop Nieuwe laag linksonder in het venster Zichtbare lagen.
- Stel in het nieuwe venster (Nieuwe laag) de naam en kleur voor de nieuwe laag in. Als u de lagen visueel wilt onderscheiden, stelt u de namen van de drie lagen in op Current Collector, EDLC en GPE en wijzigt u de bijbehorende kleuren door op het vak rechts van Kleur te klikken.
- Druk op Lijn linksonder in het scherm, klik op het hoofdveld (zwarte achtergrond) en sleep om een lijn te tekenen. Als u de dikte van de lijn wilt wijzigen, voert u de waarde van Breedte in het midden bovenaan in inchschaal (1,0 mm = 0,0393701 inch) in.
- Als u de lengte van een regel wilt bewerken, klikt u met de rechtermuisknop op de regel en klikt u onderaan op Eigenschappen . Voer in de velden Van en Tot de x- en y-waarden van de begin- en eindpunten in.
- Als u het referentiepunt van het patroon wilt instellen, stelt u de linkerbovenhoek van het patroon in figuur 1 in op (0,0). Teken de rest van het patroon op basis van de bovenstaande informatie.
- Om het getekende patroon in te stellen op de gewenste laag, klikt u met de rechtermuisknop op het patroon en klikt u op Eigenschappen. Klik vervolgens op Laag en kies de gewenste laag.
- Als u rechthoekige patronen van het huidige collectorpad en de GPE wilt tekenen, drukt u op Rect linksonder in het hoofdvenster. Klik en sleep op het scherm (hoofdveld) waar het eerder getekende patroon bestaat.
- Om te bewerken, klikt u met de rechtermuisknop op het rechthoekige oppervlak en klikt u onderaan op Eigenschappen . Voer de waarde linksboven (x,y) en de waarde rechtsonder (x,y) van de rechthoek in respectievelijk het veld Van en Tot in. Stel de rechthoek in op de gewenste laag zoals vermeld in stap 1.4.5.
- Aangezien het uiteindelijke patroon uit drie typen bestaat (geleidende lijn, EDLC en GPE), stelt u de drie lagen als volgt in.
- Converteer het CAD-bestand van het ontworpen patroon naar de Gerber-bestandsindeling die door de inkjetprinter wordt gelezen.
- Voordat u het ontworpen patroonbestand converteert, slaat u het bordbestand op in BRD-indeling. Om op te slaan, klikt u op Bestand en vervolgens op Opslaan (of drukt u op ctrl + S op het toetsenbord).
- Klik na het opslaan op Bestand bovenaan het venster en klik op CAM Processor. Als u een Gerber-bestand van de gewenste laag wilt maken, wijzigt u de items onder Gerber of Output Files aan de linkerkant van het venster als volgt.
- Verwijder eerst de sublijsten zoals Top Copper en Bottom Copper door op de onderstaande '-' te drukken. Druk op '+' en klik op New Gerber Output om Gerber output te maken.
- Stel aan de rechterkant van het scherm de laagnaam in Naam en functie in op Koper door op het tandwiel aan de rechterkant te drukken. Stel Laagtype in op Top en stel Gerber Layer Number van de huidige collector, EDLC en GPE in op respectievelijk L1, L2, L3.
- Klik in het venster Lagen onder aan Gerber-bestand linksonder op Lagen bewerken en selecteer elke gewenste laag.
- Als u de naam van het te maken uitvoerbestand wilt instellen, stelt u de Gerber-bestandsnaam van uitvoer onder aan het venster in op %PREFIX/%NAME.gbr.
- Klik ten slotte op Taak opslaan linksboven in het venster om de instellingen op te slaan. Klik rechtsonder op Process Job om een Gerber-bestand aan te maken.
2. Inktsynthese
OPMERKING: Flexibele Ag-inkt wordt gebruikt als geleidende inkt voor de huidige collectorlijn en pads.
- Bereid EDLC-inkt met terpineol, ethylcellulose, actieve kool (AC), Super-P, polyvinylideendifluoride (PVDF) en Triton-X als volgt.
- Gebruik 2.951 μL terpineol met hoge viscositeit als oplosmiddel en 1,56 g ethylcellulose als verdikkingsmiddel. Stel de verhouding ac tot super-p tot pvdf in op 7:2:1 met een totaal gewicht van 1,8478 g. Gebruik daarnaast 49 μL Triton-X als oppervlakteactieve stof voor het mengen.
- Meng alle materialen gedurende 30 minuten met behulp van een planetaire mixer. Plaats het goed gemengde elektrodemateriaal in een patroon voor de inkjetprinter en centrifugeer het gedurende 5 minuten bij 115 x g .
- Bereid GPE-inkt met behulp van propyleencarbonaat (PC), PVDF en lithiumperchloraat (LiClO4) als volgt.
- Gebruik PC als oplosmiddel, PVDF als polymeermatrix en LiClO4 als zout. Weeg alle componenten van GPE zodanig dat de uiteindelijke molaire concentratie van LiClO4 1 M is en het uiteindelijke gewichtsprocent PVDF 5 wt%.
- Roer alle componenten bij 140 °C gedurende 1 uur totdat ze zijn opgelost. Koel na het roeren de GPE-inkt voldoende af en plaats deze in de inktcartridge.
3. Parameters instellen van inkjetprintersoftware
- Voer het printerprogramma uit. Klik op de knop Afdrukken , selecteer Eenvoudig en selecteer vervolgens Flexibele geleidende inkt in de volgorde zoals weergegeven in Afbeelding 2.
- Upload het Gerber-bestand van het ontworpen patroon door de 1-pijl in figuur 3 te volgen. Kies en open het Gerber-bestand van de geleidende lijn (zie 2 en 3 pijlen in figuur 3). Klik op de knop VOLGENDE zoals aangegeven door de pijl 4.
- Bevestig de printplaat zoals weergegeven in figuur 4A en monteer de sonde zoals weergegeven in figuur 4B.
- Pas het nulpunt van de PCB-printer aan via de sonde door op de knop OUTLINE te klikken (zie de rode pijl van 1,4 in figuur 5).
OPMERKING: De sonde beweegt over de printplaat terwijl de omtrek van het patroon wordt weergegeven (zie rechtsonder in figuur 5). - Verplaats de patroonafbeelding op het scherm door te slepen (zie de gele pijl onderbroken in figuur 5). Klik nogmaals op de knop OUTLINE om te controleren of de sonde door het gewenste pad beweegt. Klik op VOLGENDE (aangegeven met de pijl 5 in figuur 5).
- Klik op PROBE om de hoogte van het substraat te meten om te controleren of het substraat vlak is (figuur 6).
OPMERKING: Het tastergebied op het substraat wordt automatisch geselecteerd door het programma dat in de printer is ingebouwd. - Verwijder de sonde zodra de hoogtemeting is voltooid. Steek de inktcartridge in de inktdispenser en sluit het mondstuk (binnendiameter: 230 μm) aan om de dispenser voor te bereiden.
- Monteer elke inktdispenser (geleidende lijn, EDLC, GPE) en druk een monsterpatroon af door op de knop CALIBRATE te drukken, terwijl u de parameters van elke inkt aanpast (figuur 7).
- Controleer het afdrukresultaat visueel en noteer de parameterwaarden voor elke inkt. Zie Representatieve resultaten voor meer informatie.
4. De geleidende lijn afdrukken
OPMERKING: Sinds stap 4.1. tot 4.7. overlappen met sectie 3, worden ze hieronder slechts kort samengevat.
- Voer het inkjetprinterprogramma uit en klik op Afdrukken in het startmenu en selecteer Eenvoudig (afbeelding 1).
- Klik op de knop Bestand kiezen naast Inkt om het ontworpen patroonbestand te laden en klik op VOLGENDE (afbeelding 3).
- Bevestig de printplaat op de printer en installeer de sonde (figuur 4).
- Controleer de positie van het patroon op het substraat en meet de hoogte van het substraat (figuur 5 en figuur 6).
- Verwijder de sonde en monteer vervolgens de geleidende inktdispenser (flexibele Ag-inkt).
- Wijzig de softwareparameters van geleidende inkt door op de knop Instellingen te klikken (zie figuur 7 en tabel 1).
- Druk een voorbeeldpatroon af om te controleren of de instelling uit stap 4.6 is geslaagd.
- Wis het afdrukpatroon van het monster met een reinigingsdoekje bevochtigd met ethanol.
- Druk het ontworpen patroon van de geleidende lijn af door op de START-knop te drukken.
- Laat na het printen de geleidende lijn gedurende 30 minuten uitharden bij 180 °C. Meet vervolgens het gecombineerde gewicht van het substraat en de geleidende lijn.
5. De EDLC-lijn afdrukken
- Selecteer de optie Uitgelijnd op het startscherm van het printerprogramma. Laad het EDLC-lijnpatroonbestand en klik op VOLGENDE (zie stap 3.2).
- Zorg ervoor dat de positie van de geleidende lijn wordt gedetecteerd door twee uitlijningspunten om de patroonposities van de EDLC-lijn en de geleidende lijn uit te lijnen. Ga vervolgens naar een willekeurig punt en controleer of de locatie correct is.
- Meet de totale hoogte van de geleidende lijn om de hoogte van het dispensermondstuk boven de geleidende lijn te controleren door op de PROBE-knop te klikken (zie figuur 6).
- Wijzig de softwareparameterwaarden van EDLC-inkten (figuur 7 en tabel 1).
- Druk een voorbeeldpatroon af om te controleren of de softwareparameterwaarden geschikt zijn. Wis het afdrukpatroon van het monster met een reinigingsdoekje bevochtigd met ethanol. Druk de EDLC-lijn af door op de START-knop te drukken.
- Droog de geprinte EDLC-lijn 's nachts bij kamertemperatuur om het oplosmiddel te verdampen.
- Om het gewicht van de gedroogde EDLC-lijn te berekenen, meet u het gecombineerde gewicht van het substraat, de geleidende lijn en de EDLC-lijn.
6. Het GPE-patroon afdrukken
- Selecteer de optie Uitgelijnd op het startscherm van het printerprogramma. Laad het Gerber-bestand van het GPE-patroon en klik op VOLGENDE (zie stap 3.2).
- Controleer de uitlijningspunten en ga naar een willekeurig punt om te controleren of de positie correct is.
- Meet de hoogte van de EDLC-lijn om de standaardhoogte voor het mondstuk in te stellen.
- Wijzig de softwareparameterwaarden van GPE-inkten (figuur 7 en tabel 1).
- Druk een voorbeeldpatroon af om te controleren of de softwareparameterwaarden geschikt zijn.
- Wis het afdrukpatroon van het monster met een reinigingsdoekje bevochtigd met ethanol. Druk het GPE-patroon af.
- Om een stabilisatieproces te hebben en het resterende oplosmiddel te verdampen, droogt u het GPE-patroon gedurende 24 uur bij kamertemperatuur.
7. Elektrochemische test
- Voer de elektrochemische metingen uit voor het inkjetgeprinte supercondensatorapparaat volgens de onderstaande stappen. Schakel het potentiostatapparaat in en voer het programma uit om cyclische voltammetrie (CV), galvanostatische lading / ontlading (GCD) en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) te meten.
- Sluit de potentiostaat aan op het eerder afgedrukte supercondensatorapparaat.
OPMERKING: Vier verbindingslijnen worden gebruikt in de potentiostaat: de werkelektrode (WE), werksensor (WS), tegenelektrode (CE) en referentie-elektrode (RE). - Sluit de WS-lijn aan op de WE-lijn en de RE-lijn op de CE-lijn, omdat het gefabriceerde apparaat een symmetrische supercondensator is.
- Sluit de WE\WS-lijn en CE\RE-lijn aan op de tegenovergestelde stroomcollectorpads op het supercondensatorapparaat.
- Sluit de potentiostaat aan op het eerder afgedrukte supercondensatorapparaat.
- Genereer een reeks cv's en voer deze uit om het resultaat te krijgen.
- Voer het programma uit om het volgordebestand te genereren.
- Klik op de knop Nieuwe volgorde .
- Klik op de knop Toevoegen om stap 1 te genereren.
- Controleer of de potentiostaat 0 V is of niet. Als de potentiaal niet 0 V is, gaat u als volgt te werk.
- Stel Besturing in als CONSTANT en stel voor Configuratie Type in als PSTAT, Modus als NORMAAL en Bereik als AUTO. Stel voor Spanning (V) Ref. als Eref en Waarde als 0.
- Stel voor voorwaarde-1 van afgesneden voorwaarde item in als staptijd, OP als >=, DeltaValue als 1:00 en Volgende als volgende. Voor diverse instellingen drukt u op de bemonsteringsknop en stelt u Item in als Tijd(en),, OP als >= en DeltaValue als 30.
- Klik op de knop Toevoegen om de volgende stap te maken.
- Stel Control in als SWEEP en stel voor Configuratie Type in als PSTAT, Mode als CYCLIC en Range als AUTO. Stel voor Initieel (V) en Midden (V) Ref. in als Eref, Waarde als 0. Stel voor Definitief (V) Ref. in als Eref en Waarde als 800.00e-3.
- Gebruik spanningsscansnelheden van 5, 10, 20, 50 en 100 mV/s. Stel daarom scansnelheid (V/s) in op basis van elke scansnelheid als respectievelijk 5.0000e-3, 10.000e-3, 20.000e-3, 50.000e-3 en 100.00e-3.
- Stel voor alle scansnelheden Stille tijd(en) in op 0 en Segmenten op 21. Voor voorwaarde-1 van afgesneden voorwaarde stelt u Item in als Stapeinde en Volgende als Volgende.
- Voor diverse instellingen drukt u op de bemonsteringsknop en stelt u Item in als Tijd(en) en OP als >=. Stel deltawaarde voor elke scansnelheid in op 0,9375, 0,5, 0,25, 0,125 en 0,0625.
- Klik op de knop Opslaan als om het volgordebestand van de CV-test op te slaan.
- Klik op Toepassen op CH en voer het volgordebestand van de CV-test uit om het resultaat te verkrijgen.
- Genereer een reeks GCD en voer deze uit om het resultaat te krijgen.
- Voer het programma uit om het volgordebestand te genereren.
- Klik op de knop Nieuwe volgorde .
- Klik op de knop Toevoegen om stap 1 te genereren.
- Controleer of de potentiostaat 0 V is of niet. Als de potentiaal niet 0 V is, gaat u als volgt te werk.
- Stel Control in als CONSTANT en stel voor Configuratie Type in als PSTAT, Mode als NORMAL en Range als AUTO. Stel voor Spanning (V) Ref. in als Eref, Waarde als 0.
- Voor voorwaarde-1 van cut off condition stelt u Item in als Staptijd, OP als >=, DeltaValue als 1:00 en Go Next als Next. Voor diverse instellingen drukt u op de bemonsteringsknop en stelt u Item in als Tijd(en), OP als >= en DeltaValue als 30.
- Klik op de knop Toevoegen om de volgende stap te maken (oplaadstap).
- Stel Besturing in als CONSTANT en stel bij Configuratie Type in als GSTAT, Modus als NORMAAL en Bereik als AUTO. Stel voor Huidig (A) Ref. in als NUL.
- De stroomdichtheid varieert tussen 0,01 A/g en 0,02 A/g. Stel daarom de waarde van stroom (A) voor elke stroomdichtheid in op 310,26e-6 en 620,52e-6.
- Stel voor voorwaarde-1 van afgesneden voorwaarde item in als spanning, OP als >=, DeltaValue als 800.00e-3 en Ga volgende als volgende. Stel voor de instelling Diversen item in als Tijd(en),OP als >= en DeltaWaarde als 1.
- Klik op de knop Toevoegen om de volgende stap te maken (ontladingsstap).
OPMERKING: Deze stap is hetzelfde ingesteld als de stap Opladen.- Stel de waarde van stroom (A) voor elke stroomdichtheid in op -310.26e-6 en -620.52e-6.
- Stel voor voorwaarde-1 van afgesneden voorwaarde item in als spanning, OP als <=, deltawaarde als 0,0000e+0 en volgende als volgende. Stel voor diverse instellingen Item in als Tijd(en), OP als >= en DeltaWaarde als 1.
- Klik op de knop Toevoegen om de volgende stap te maken (Lustap).
- Stel Besturing in als LOOP en stel voor Configuratie Type in als Cyclus en Iteratie als 21.
- Stel voor voorwaarde-1 van afgesneden voorwaarde item in lijst 1 in als Lus volgende. Stel voor elke stroomdichtheid Go Next in als STAP-2 voor 0,01 A/g en STEP-5 voor 0,02 A/g.
- Klik op de knop Opslaan als om het volgordebestand van de GCD-test op te slaan.
- Klik op Toepassen op CH en voer het sequentiebestand van de GCD-test uit om het resultaat te verkrijgen.
- Genereer een reeks EIS en voer deze uit om het resultaat te krijgen.
- Voer het programma uit dat het sequentiebestand kan genereren.
- Klik op de knop Nieuwe volgorde .
- Klik op de knop Toevoegen om stap 1 te genereren.
- Stel Besturing in als CONSTANT en stel bij Configuratie Type in als PSTAT, Modus als TIMER STOP en Bereik als AUTO.
- Aangezien het bedrijfspotentiaalvenster in deze studie is ingesteld op 0,0 tot 0,8 V, stelt u voor Spanning de waarde in op 400,00e-3, wat de gemiddelde waarde is van het bedrijfspotentiaalvenster. Stel Ref. in als Eref.
- Klik op de knop Toevoegen om de volgende stap te genereren.
- Stel Controle in als EIS en stel voor Configuratie Type in als PSTAT, Modus als LOG en Bereik als AUTO.
- Stel het frequentiebereik in op 0,1 Hz op 1 MHz. Stel daarom Initieel (Hz) en Midden (Hz) in op 100.00e+6 en Eind (Hz) op 100.00e-3.
- Zoals vermeld in paragraaf 7.4.3.2, stelt u Value of Bias (V) in op 400.00e-3 en stelt u Ref. in op Eref.
- Als u een lineaire respons wilt behouden, stelt u de amplitude (Vrms) in op 10,000e-3.
- Stel Dichtheid in als 10 en Iteratie als 1 voor dit experiment.
- Klik op de knop Opslaan als om het volgordebestand van de GCD-test op te slaan.
- Klik op Toepassen op CH en voer het volgordebestand van de EIS-test uit om het resultaat te krijgen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De inkt werd gesynthetiseerd volgens stap 2 en de kenmerken van de inkt konden worden bevestigd volgens referentie18. Figuur 8 toont de structurele eigenschappen van geleidende inkt en EDLC-inkt, evenals de reologische eigenschappen van EDLC-inkt gerapporteerd in het vorige onderzoek18. De geleidende inkt is goed gesinterd om continue geleidende paden te vormen en de ruwheid op nanoschaal zal naar verwachting het contactoppervlak met de EDLC-inkt vergroten (figuur 8A, B). EDLC-inkt is gelijkmatig verdeeld op macroscopische schaal, maar heeft een zeer ruwe oppervlaktevorm op micro- en nanoschaal, wat mogelijk een groot oppervlak biedt en de energieopslagcapaciteit verbetert. Alle componenten zijn goed verspreid en er zijn geen zichtbare elementen die verstopping kunnen veroorzaken tijdens het afdrukken (figuur 8C-F). Figuur 8G toont de tijdsevolutie van de schijnbare viscositeit in de EDLC-inkt. De viscositeitswaarde neemt toe met de afschuiftijd en vertoont geen visco-elastisch gedrag; het duidt op een afschuif-verdikkingsgedrag zonder enige stress-geïnduceerde structurele uitbreiding, uitrekken of herschikking.
Een geprinte supercondensator werd met succes verkregen met behulp van het huidige protocol (figuur 9B). De afdrukkwaliteit wordt als goed beschouwd als het afgedrukte patroon minder of geen defecten heeft (vergelijk figuur 9B met 9A), minimale oppervlakteruwheid en uniforme dikte. De primaire parameters die van invloed zijn op de kwaliteit van de inkjetafdrukmethode zijn de invoersnelheid, kick, trimlengte, anti-stringing afstand, reologisch instelpunt en zachte start/stop-verhouding. In deze studie werden de printresultaten van de GPE- en EDLC-lijn (of -laag) geëvalueerd op basis van de afdrukresultaten van de geleidende lijn.
De invoersnelheid en de rijsnelheid van de XY-as tijdens het doseren bepalen de totale afdruktijd. Ze hebben ook een aanzienlijke invloed op de dikte van de lijn en het voorkomen van afsnijproblemen. Alle lijnen waren uniform zonder zichtbare ontkoppeling wanneer de voedingssnelheid minimaal was (100 mm/min) (figuur 10A); het duurde echter lang om het product te printen. Daarentegen nam de totale afdruktijd af wanneer de invoersnelheid maximaal was (600 mm/min) (figuur 10D); in vergelijking met de afgedrukte resultaten met een voedingssnelheid van 500 mm/min (figuur 10C) werd de lijn echter afgesneden of gebarsten omdat de dispenser snel bewoog. Een voedingssnelheid van 300 mm/min blijkt optimaal te zijn voor een goede printtijd en om scheurvorming te voorkomen (figuur 10B). Kick regelt de druk die wordt uitgeoefend via de slaglengte van de zuiger in de dispenser. Alle lijnen werden losgekoppeld wanneer de kick te laag was (de minimumwaarde is gelijk aan 0,1 mm). De hoge druk bij een hoge trap (maximale waarde is gelijk aan 0,7 mm) creëerde echter een knelpunt met als gevolg de verstopping van het mondstuk. Daarom is het noodzakelijk om een geschikte trapwaarde (0, 35 mm) te gebruiken, zodat de lijn niet breekt en het mondstuk niet verstopt raakt (figuur 11).
Trimlengte is de maximale afstand die voor één doseer wordt afgelegd en heeft een waarde variërend van 1 mm tot 9999 mm. De printer print ruw en doet er lang over als de trimlengte 1 mm is. Daarom moet de trimlengte worden aangepast op basis van de totale lengte van het patroon. In dit protocol werd de trimlengte ingesteld op 120 mm (figuur 12). Aan het einde van het mondstuk kan een stringing worden gevormd omdat de hechting van de inkt aan het mondstuk hoger is dan de hechting van de inkt aan het substraat op basis van de oppervlakte-energie van de inkt. De anti-stringing afstand helpt bij het veilig breken van de stringing door het mondstuk terug te duwen (figuur 13). Het reologische instelpunt is een parameter die het debiet compenseert om de druk na afgifte te handhaven. De doseerhoeveelheid neemt niet toe, zelfs niet na het afdrukken van een patroon wanneer het reologische instelpunt op de minimumwaarde (0,0) is. De doseerhoeveelheid en het debiet van de inkt nemen echter toe wanneer het reologische instelpunt de maximale waarde (1,0) heeft bereikt. Bovendien treedt verstopping op als gevolg van het knelpunteffect wanneer het reologische instelpunt hoog is. Het reologische instelpunt moet dus worden aangepast op basis van de viscositeit en samendrukbaarheid van de inkt (figuur 14).
De zachte start/stop-verhouding is een parameter die het verschil aanpast tussen het tijdstip waarop de kick (druk) begint en wanneer het debiet wordt gestabiliseerd op basis van de eigenschappen van de inkt (figuur 15). Tijdens het besturingsexperiment met de softwareparameterinstelling is het moeilijk om enige variatie in afdrukken waar te nemen als gevolg van de veranderingen in de passeerruimte en de instelwaarde voor traceerpenetratie. Daarom moeten deze twee parameters afzonderlijk worden vastgesteld op basis van het ontworpen patroon. De resultaten van het installatiebesturingsexperiment zijn als volgt: passafstand, traceerpenetratie en trimlengte moeten worden aangepast op basis van het af te drukken patroon. Bovendien moeten de voedingssnelheid, de anti-stringing afstand, kick, zachte start/stop-verhouding en het reologische instelpunt worden aangepast op basis van de eigenschappen van de inkt. Daarom werden de softwareparameterwaarden voor verschillende inkten (geleidende inkt, EDLC-inkt en GPE-inkt) vastgesteld zoals weergegeven in tabel 1.
Elektrochemische gegevens werden verkregen zoals beschreven in stap 7 van het protocol. Figuur 16A, B, C toont respectievelijk de CV-, GCD- en EIS-gegevens. De gegevens in figuur 16A zijn verkregen door middel van de CV-meting. De gravimetrische capaciteit, oppervlaktecapaciteit en celcapaciteit werden berekend op respectievelijk 5,74 F/g, 142 mF/cm2 en 178 mF/cel voor een scansnelheid van 5 mV/s. GCD-grafieken (figuur 16B) tonen een bijna symmetrische curvevorm, die de karakteristieke eigenschap is van de EDLC. Bovendien illustreert de EIS-grafiek (figuur 16C) een lage Rs-waarde (5,29 Ω) en geen Rct-waarde , die typisch zijn voor EDLC.
Figuur 1: Interdigitated patroon ontworpen met CAD-programma. De twee pads aan de bovenkant van het patroon zijn alleen bedrukt met een huidige collectorinkt. Het grote hemelsblauwe vierkant is bedrukt met een gelpolymeer elektrolytinkt en de blauwe lijnen worden bedrukt met de EDLC-lijninkt en stroomcollectorinkt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Afbeelding van het printerprogrammavenster. (A) Het eerste scherm van het programma. De rode pijl geeft aan waar de knop Afdrukken zich bevindt. (B) Het tweede scherm van het programma. De rode pijl geeft aan waar de knop Eenvoudig is. (C) Het derde scherm van het programma. Rode pijl geeft aan welke inkt moet worden geselecteerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Een screenshot dat laat zien hoe u het Gerber-bestand van het ontworpen patroon kunt uploaden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Een screenshot dat laat zien hoe de printplaat te bevestigen en de sonde te monteren. (A) Een bovenaanzichtafbeelding van de inkjetprinter die de printplaat bevat. (B) De vooraanzichtafbeelding van de inkjetprinter waarop de sonde is gemonteerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Een screenshot dat laat zien hoe u de beweging van de sonde kunt controleren wanneer de patroonpositie wordt gewijzigd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Een screenshot die laat zien hoe u de oppervlaktehoogte kunt meten. Na het klikken op PROBE gaat de sonde naar de aangegeven plek op het substraat (aangeduid met cirkels) en beweegt vervolgens naar beneden en omhoog om de hoogte van het substraat te controleren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Een screenshot die laat zien hoe u de softwareparameters aanpast en het voorbeeldpatroon afdrukt. (A) Een screenshot-afbeelding met de procedure voor het afdrukken van een voorbeeldpatroon. De rode pijl geeft de knop aan om het voorbeeldpatroon af te drukken en de gele pijl geeft de knop aan om de softwareparameters voor de inkten te regelen. (B) Een venster dat verschijnt wanneer op de gele pijl in (A) wordt gedrukt. Softwareparameters kunnen worden gewijzigd door de waarden te wijzigen die worden aangegeven door de 1 pijl. Druk op de pijl 2 om de wijzigingen in de softwareparameters op te slaan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: SEM-afbeelding van de inkten en geprinte lagen en viscositeit van EDLC-inkt. (A,B) SEM-afbeeldingen van de huidige collector met een lage vergroting van de bovenste weergave en (B) met een hoge vergroting. (C) Gekantelde SEM-afbeelding in zijaanzicht van de afgedrukte EDLC-film met actieve laag. (D-F) Sem-afbeeldingen van de actieve EDLC-laag met verschillende vergrotingen bovenaan weergeven. (G) Schijnbare viscositeit van EDLC-inkt versus afschuiftijd voor constant 0,3 s-1 afschuifsnelheidsexperiment. Aangepast met toestemming van referentie18. Copyright (2020) Amerikaanse chemische vereniging. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: Foto van de afgedrukte resultaten. (A) Foto met afdrukfouten; het rood omcirkelde deel is ongelijk afgedrukt als gevolg van een afdrukfout. (B) Foto van het uiteindelijke gedrukte product. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 10: Afdrukresultaten die overeenkomen met de verandering in de invoersnelheid. (A) 100 mm/min, (B) 300 mm/min, (C) 500 mm/min en (D) 600 mm/min. Klik hier voor een grotere versie van deze figuur.
Figuur 11: Afdrukresultaten die overeenkomen met de veranderingen in de kick. (A) 0,1 mm, (B) 0,2 mm, (C) 0,35 mm en (D) 0,7 mm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 12: Afdrukresultaten die overeenkomen met de veranderingen in de trimlengte. (A) 1,0 mm en (B) 50 mm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 13: De foto's die laten zien hoe de dispenser beweegt door de aanpassing van de anti-stringing afstandsparameter. (A) Beweging van het mondstuk wanneer de anti-stringing afstandswaarde is vastgesteld op de maximale waarde (5,0 mm). (B) Foto van stringing. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 14: Afdrukresultaten die overeenkomen met de verandering in de reologische instelpuntverandering. (A) 0 en (B) 1.0. Rode cirkels in (B) tonen de scheuren (of gaten) veroorzaakt door het verstoppingseffect. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 15: Afdrukresultaten die overeenkomen met de verandering in de soft start/soft stop ratio. De rotatie met de klok mee van de zaagtand (rode pijl) geeft het begin van de afdruk aan. (A) Soft start maximum waarde en soft stop minimum waarde, evenals (B) soft start minimum waarde en soft stop maximum waarde. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 16: De elektrochemische testresultaten van de geprinte supercondensator. (A) CV, (B) GCD en (C) EIS grafieken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Parameter | Geleidende inkt | EDLC inkt | GPE-inkt |
| Passafstand (mm) | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
| Doseerhoogte (mm) | 0.12 | 0.14 | 0.16 |
| Voersnelheid (mm/min) | 500 | 300 | 300 |
| Trim lengte (mm) | 120 | 120 | 120 |
| Spoorpenetratie (mm) | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
| Anti-stringing afstand (mm) | 0.4 | 0.7 | 0.1 |
| Schop (mm) | 0.35 | 0.3 | 0.4 |
| Zachte startverhouding | 0.1 | 0.8 | 0.8 |
| Zachte stopverhouding | 0.15 | 0.1 | 0.15 |
| Reologisch setpoint | 0.16 | 0.2 | 0.16 |
Tabel 1. De geoptimaliseerde softwareparameters voor geleidende inkt, EDLC-inkt en GPE-inkt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De kritieke stappen in dit protocol zijn betrokken bij het instellen van de softwareparameter om het ontworpen patroon af te drukken door de parameterwaarden nauwkeurig aan te passen. Afdrukken op maat kan leiden tot structurele optimalisatie en het verkrijgen van nieuwe mechanische eigenschappen19. De inkjetdrukmethode met softwareparameterregeling kan worden gebruikt voor geavanceerd afdrukken in verschillende industrieën door het geoptimaliseerde materiaal voor het drukproces te selecteren.
Bij de fabricage van supercondensatoren met behulp van inkjetprinten meldde een paper dat er nog steeds een limiet is aan het ontwikkelen van een patroon met uniforme en hoge resolutie. Er is gemeld dat nabehandeling bij hoge temperaturen nog steeds nodig is en dat het optimalisatieproces van het materiaal onmisbaar is20. Een ander artikel meldde dat om inkjetprinten goed te gebruiken, het noodzakelijk is om de viscositeit en oppervlaktespanning aan te passen in een relatief smal bereik dat afhankelijk is van de printer. Voor dit doel is de concentratie van het actieve materiaal van de inkt beperkt. In sommige gevallen is opgemerkt dat meerdere afdrukken nodig zijn om een voldoende hoeveelheid materiaal te deponeren21. In lijn met deze trend kan dit protocol onderzoekers helpen patronen met een hogere resolutie te implementeren door nauwkeurige methoden te bieden voor het hanteren van inkjetprinters. Bovendien kan men met beheersing van de softwarebesturing het productieproces vereenvoudigen door de softwareparameters zoals Feed rate en Kick aan te passen zonder meerdere keren te hoeven printen om voldoende materiaal te deponeren.
Softwareparametercontrole voor nauwkeurig afdrukken kan worden uitgevoerd volgens het gepresenteerde protocol. Er moeten echter enkele knelpunten worden aangepakt om de prestaties van het apparaat te verbeteren op basis van de afdrukmethode. Verschillende problemen, zoals inktspreiding en verstoppingseffect, vereisen de optimalisatie van de kenmerken van de inkt zelf, samen met het aanpassen van softwareparameterwaarden22. De twee meest cruciale eigenschappen van de inkt zijn viscositeit en oppervlaktespanning23. Daarom moeten de viscositeit24 en oppervlaktespanning25 van de inkt worden gemeten en gecontroleerd voor de optimalisatie ervan. Om de prestaties te verbeteren, is het ook belangrijk om de eigenschappen van de inkten volledig te begrijpen en materialen met de juiste verhoudingen te selecteren.
Samengevat is hier een protocol opgesteld om inkjetprinten te gebruiken voor het afdrukken van een supercondensatorapparaat. Een bespreking van softwareparameters die de inkjetprinter besturen, is hier gegeven als een nuttige gids voor het hanteren en optimaliseren van geavanceerde afdrukprocessen. Verdere vooruitgang in het printen van draagbare apparaten voor energieopslag, flexibele sensoren en de lucht- en ruimtevaartindustrie kan worden bereikt door optimalisatie van inktmateriaal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben geen onthullingen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de Korea Electric Power Corporation (subsidienummer: R21XO01-24), het Competency Development Program for Industry Specialists van de Koreaanse MOTIE beheerd door KIAT (Nr. P0012453) en de Chung-Ang University Graduate Research Scholarship 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).
