基于可印刷制备的高性能平面叉指结构柔性微型超级电容器

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随着多功能、低能耗、高度集成性微电子器件的发展,例如无线通讯设备、电子皮肤、生物传感器、纳米机器人、可穿戴/可嵌入式医疗设备,迫切需要与之相匹配微型能量存储器件/微型电源为其提供动力和能量。微型超级电容器由于本身具有高功率密度、极佳的循环使用寿命和快速充放电等优势受到了很大的关注,但是需要进一步的研究来提高它的微型尺寸,并使之能够与其它柔性电子器件集成。具有平面叉指结构的微型超级电容器可以作为一个独立的供能元件集成在微电子器件上,或者作为一个储能元件与微型能量装置和能量装换装置相配合实现微型电子设备的自供电。尽管很多研究在微型超级电容器领域已经取得了较大的进展,但是对具有非对称叉指结构的微型超级电容器的探索依然处于起步阶段。目前制备非对称叉指电极的工艺非常有限,大部分已报道的制备方法(包括光刻、等离子刻蚀、激光切割、喷墨打印等)都只适用于某种特定类型的材料,或者制备工艺过程复杂,所需仪器设备昂贵,不适于大规模芯片集成,与目前的半导体工业技术不兼容。本论文采用了一种简单、经济、快速、可规模化生产的丝网印刷技术来实现柔性固态非对称型微型超级电容器的制备;而且使用一种新型生物凝胶作为电解质,这种无毒、环境友好型、生物相容性好的高浓度海藻酸钠凝胶具有拓宽的电化学稳定窗口(2.8 V),有利于提高超级电容的能量密度。非对称型微型超级电容器将MoO3-x纳米棒赝电容材料作为正极,活性碳纳米球双电层材料作为负极,海藻酸钠生物凝胶作为电解质,展现出非常优异的电化学性能:具有很高的面积比容量47.20 mF/cm2和超高的能量密度21.20μWh/cm2(47.11 mWh/cm3),并且在充放电循环10000次后依然能保持95.1%的比容量。由于这种器件微小的尺寸和高的工作电压窗口,它的能量密度高于绝大多数目前报道的微型超级电容器。微型超级电容器的平面叉指结构保证了器件的机械稳定性和柔性,很容易与其他柔性电子器件集成,使其成为一种极具应用前景的储能器件。
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