中科院蘭州化學物理研究所Adv. Funct. Mater.：基于平面型微型超級電容器的芯片式紙基集成器件

背逆時光 6年前 (2017-09-21) 4251瀏覽

【引言】

平面型微型超級電容器（MSC）作為一種新型的微型電化學儲能器件，與傳統的夾層式固態超級電容器相比，其突出優點是能夠容易地與傳感器及其它電子器件進行有效的集成。而柔性傳感器由于能被穿戴或者植入人體并能夠檢測周圍環境信息而在醫療健康領域引起了廣泛的關注。然而，作為用電器件，傳感器自身并不能獨立工作，而需要電源為其進行供電。一般的方法是將傳感器與電源通過外接導線連接，但這在柔性可穿戴技術中會引起極大的不便。所以當前的一項挑戰是如何將柔性電源與傳感器集成到同一芯片？研究者們在該領域做了許多優異的工作，但仍有很多難題等待人們去挑戰。

【成果簡介】

紙質材料的成本低且是一種即用即棄材料，更為重要的是由于紙具有多孔和粗糙的纖維結構從而可以增強其與電子器件的結合力。遺憾的是，由于纖維素孔隙引起的毛細作用使得通過印刷技術印刷的墨水材料會在紙基表面擴散，導致圖案質量差。研究者們在該領域做了許多優異的工作，但仍有很多難題等待人們去挑戰。來自中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室的閻興斌研究員（通訊作者）等通過絲網印刷技術在濾紙表面形成了金屬Ni叉指化集流體，并結合后續的電鍍技術增強了集流體的導電性，同時抑制了金屬Ni在紙基表面的擴散，形成了分辨率較高的圖案化集流體。在Ni表面通過電化學沉積MnO2或者聚吡咯（PPy）活性材料，并滴凃凝膠電解質，構筑了基于MnO2的對稱性超級電容器以及基于MnO2和PPy的非對稱超級電容器。經過測試其電化學性能和耐機械形變性能，顯示紙基超級電容器具有較好的電化學特性和很強的耐機械形變特性（彎折1萬次后容量幾乎沒有變化）。其能量密度和功率密度皆位于同類型超級電容器的前列。基于在紙面印刷的金屬集成電路，研究者們將MSCs和紫外傳感器或者氣體傳感器集成到了同一單片紙上，集成器件顯示了良好的傳感特性和自供電特性。

【圖文導讀】

圖1?紙基平面型對稱超級電容器（SMCS）的制備

?a) 紙基對稱超級電容器的制備示意圖.

b) 紙表面通過絲網印刷技術制備的金屬Ni集流體數碼照片

c) Ni/Paper 隨著彎曲次數的電阻變化規律; 插圖展示了一次彎曲循環過程中的電阻變化規律

d) Ni集流體表面經電化學沉積MnO2后的數碼照片

e) 沉積MnO2后展示叉指電極的光學照片

f) 沉積MnO2后叉指極的低倍和高倍SEM照片

圖2 紙基對稱超級電容器的電化學性能和耐機械形變性能

a) SMSC在不同掃速下的CV特性

b) SMSC在不同掃描速率下的面積比容量

c) SMSC在掃速為800 mV s?1 時的循環壽命; 插圖為循環 1圈、100圈、30000圈和 60000圈后的CV曲線

d) SMSC 在不同彎曲狀態下的數碼照片, r = ∞和θ = 0°、r = 8.2 mm和θ = 85°、r= 6.3 mm和θ = 103°、r = 4.4 mm和θ = 134°、r = 3.3 mm和θ = 160°、r = 2.7 mm和θ = 180°以及r = 0.2 mm和θ = 134°

e) SMSC在不同彎曲狀態下的CV特性

f) SMSC持續地彎曲10圈的過程中CV曲線的變化

g) SMSC彎曲10000次的過程中電容的變化情況; 插圖展示了器件彎曲1次、1000次、和5000次后的CV曲線

?圖3 紙基非對稱超級電容器（AMSC）的制備及其電化學性能

a) AMSC的制備示意圖

b) 在掃速為30 mV s?1時，MnO2/Ni/CP和PPy/Ni/CP電極的CV曲線

c) AMSC在不同掃速下的CV曲線

d) AMSC的面積容量隨著放電電流密度的變化情況

e) 與其他文獻中報道過的超級電容器的比較圖

f, g) 分別是AMSCs 并聯f)和串聯g)后的恒電流充放電曲線

?圖4 AMSCs和UV傳感器在單一紙片上的集成

?a) 電路集成示意圖

b) 用于UV傳感器的ZnO 納米線的SEM照片

c) 紙基集成器件展示柔性的數碼照片

d) 紙基集成器件貼于手背的數碼照片

e) 串聯AMSC的自放電曲線

f, g) UV傳感器分別被串聯的AMSC和外電源提供1.0 V電壓驅動時的光電流與時間響應曲線

?圖5 可持續自供電的集成器件

a) AMSCs橋接太陽能電池和氣體傳感器的示意圖

b) 用于氣體傳感器的PANI 納米棒的SEM照片

c) 利用太陽能電池給串聯AMSC充電的充電曲線和串聯AMSC在電流密度為1 mA cm?2下的放電曲線

d) 當交替充入NH3和HCl時集成器件中氣體傳感器的響應和恢復曲線

【小結】

作者通過將絲網印刷技術與電鍍技術相結合的方法成功地將金屬Ni電路印刷到紙質基底表面，一方面在不需要對紙進行預處理的情況下抑制了墨水的擴散；另一方面保留了紙質纖維素的的多孔結構。這一制備策略可以極大地增強紙基底與器件之間的結合力。基于這一印刷的集成電路，成功地將供能器件MSC與傳感器集成到了紙基芯片上。未來可以將能量采集、能量存儲和用電器件一起集成到紙基芯片。這種基于紙質基底的集成策略可為便攜式和可穿戴電子開拓一種新型的設計方法。

文獻鏈接：In-Plane Micro-Supercapacitors for an Integrated Device on One Piece of Paper?(Adv. Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201702394)

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