Energ. Environ. Sci.：熱敏開關型平面微型超級電容器：一種富有潛力的電子器件保護方案

【引言】

近年來，現代電子學的研究重點集中在實現電子設備的小型化、輕量化、高性能和安全性等方面。高性能電子設備總是需要快速能量消耗和/或高功率能量輸送。這將導致敏感電子元件的自發熱問題，因此可能對其造成熱損傷并帶來安全隱患，同時顯著降低電子器件的壽命。例如，手機或電腦的處理器和電路板的操作溫度應嚴格控制在80 ℃以下。人們過去常常利用百葉窗、散熱片和冷卻風扇等熱控功能模塊來防止電子器件的熱失控。然而，由于空間限制、工藝復雜和成本效率等原因，以上模塊并不適用于芯片式電子器件。微型超級電容器(MSCs)是一種可用于芯片式電子器件的微型供能設備，其具有超高功率密度、快速倍率性能和超長循環壽命等優點。然而，高性能的微型超級電容器通常對物理或化學刺激不敏感。因此，為了實現微型電子設備的智能熱保護，設計一種具有智能熱保護功能的MSCs有著重要的實際意義。

【成果簡介】

近日，德國德累斯頓工業大學的馮新亮與莊曉東(共同通訊作者)在微型超級電容器領域取得新的研究進展，在國際頂級學術期刊Energy & Environmental Science上發表了題為”Thermoswitchable on-chip microsupercapacitors One potential self-protection solution for electronic devices”的研究論文。該工作提出了一種可用于芯片式電子器件，具有高溫保護功能的熱敏開關微型超級電容器(TS-MSC)。微型超級電容器以一種溶解了鋰鹽的聚合物溶膠為電解質，該電解質具備獨特的熱力學行為。得益于電解質離子電導率的可逆變化，TS-MSC具備較寬的工作溫度區間和優異的加熱/冷卻循環穩定性。當溫度上升到80 ℃時可以實現完全的電容斷開，在冷卻至室溫時又完全恢復。一般情況下計算機CPU的臨界工作溫度為80 ℃，因此芯片式TS-MSC陣列為計算機CPU的熱保護提供了新的途徑。

【圖文導讀】

圖一：熱敏開關微型超級電容器的制備及機理

(a) 在硅基板和PI薄膜上制備TS-MSC的過程示意圖，制備過程包括通過光刻法制作叉指狀Au集流體、電沉積制備活性材料(PEDOT)層，以及滴注溶解LiCl的PNIPAAm/MC溶液作為熱敏電解質；

(b) 加熱冷卻時熱響應性電解質的可逆溶膠-凝膠轉變以及叉指狀電極之間的離子傳輸示意圖。?

圖二：電解質的熱響應行為與電極的微觀形貌

(a) 在30-80 ℃溫度區間內，加熱/冷卻時PNIPAAm/MC體系的可逆溶膠-凝膠轉變；

(b) 當入射光波長為600 nm時，PNIPAAm/MC溶液的透光率-溫度變化曲線；

(c) 基于PEDOT電極材料的MSC光學顯微圖像，暗區對應電化學聚合PEDOT，亮區對應硅基底；

(d) 硅基板支撐Au電極與PEDOT膜的頂視圖SEM圖像；

(e) 硅基板支撐Au電極與PEDOT膜的橫截面SEM圖像；

(f) 基于PEDOT電極材料的的MSCs的截面高度分析。

圖三：在30-80 ℃溫度區間內，TS-MSC與C-MSC的電化學行為對比

(a) 在30-80 ℃溫度區間內，TS-MSCs的CV曲線；

(b) 在30-80 ℃溫度區間內，TS-MSCs的GCD曲線；

(c) 在30-80 ℃溫度區間內，熱響應PNIPAAm/MC/LiCl電解質的離子電導率變化曲線；

(d)-(e) 在30-80 ℃溫度區間內，TS-MSC的奈奎斯特圖；

(f) 在30-80 ℃溫度區間內，C-MSC的奈奎斯特圖。

圖四：TS-MSCs的熱響應行為

(a) 在30-80 ℃溫度區間內，TS-MSCs的GCD曲線；

(b) 當電流密度為20 μA·cm^-2時，30-80 ℃下TS-MSCs的面電容與循環次數的關系；

(c) 在30-80 ℃溫度區間內，TS-MSCs的阻抗相位角與頻率的關系；

(d) 50次加熱-冷卻循環中，TS-MSCs的可逆面電容行為；

(e) 串聯/并聯兩個或四個TS-MSCs單元的電路圖；

(f) 當電流密度為60 μA?cm^-2時，串聯四個TS-MSCs單元的器件的GCD曲線；

(g) 室溫條件下，當掃描速率為200 mV?s^-1時，串聯/并聯兩個或四個TS-MSCs單元的器件的CV曲線；

(h) 室溫條件下，當電流密度為40 μA·cm^-2時，串聯/并聯兩個或四個TS-MSCs單元的GCD曲線。

圖五：連接在計算機CPU面板上的TS-MSC陣列的熱響應行為

(a) 串聯四個TS-MSCs單元的數碼照片和電路圖，白色虛線圈出部分表示TS-MSC單元，其他單元為C-MSC單元，紅色和綠色符號分別代表器件處于開啟和關閉狀態；

(b) 在30-80 ℃溫度區間內，當掃描速率為500 mV·s^-1時，串聯四個TS-MSCs的CV曲線；

(c) 在30-80 ℃溫度區間內，當電流密度為500 mV·s^-1時，串聯四個TS-MSCs的GCD曲線；

(d) 并聯四個TS-MSCs的數碼照片和電路圖；

(e) 在30-80 ℃溫度區間內，當掃描速率為500 mV·s^-1時，并聯四個TS-MSCs的CV曲線；

(f) 在30-80 ℃溫度區間內，當掃描速率為500 mV·s^-1時，并聯四個TS-MSCs的GCD曲線。

【小結】

基于LiCl/PNIPAAm/MC電解質在加熱-冷卻過程中的溶膠-凝膠轉變行為，該工作設計了一種具有可逆熱響應保護功能的熱敏開關微型超級電容器(TS-MSCs)。在高溫條件下，電解質的熱誘導凝膠化抑制了鋰離子的遷移，而在冷卻狀態下鋰離子的自由遷移又得以恢復。由于離子電導率的可逆變化，TS-MSCs具有較寬的工作溫度范圍(30-80 ℃)和優異的冷熱循環穩定性。通過對TS-MSCs陣列的集成，使得器件具備了高效的熱響應開關能力，從而可以實現對溫度敏感元件的實時保護。該工作為熱響應微型功能器件的設計提供了新的思路，也為解決便攜式芯片式電子設備的安全問題提供了一種可行的解決方案。

文獻鏈接：Thermoswitchable on-chip microsupercapacitors: One potential self-protection solution for electronic devices?(Energ. Environ. Sci.，2018，DOI: 10.1039/C8EE00365C)

本文由材料人編輯部李嘉欣編譯，張杰審核，點我加入材料人編輯部。

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