超高面输出电压单片集成微型超级电容器用于为小型化电子设备供电

为了在未来实现真正的物联网，具有高系统性能和电池数量密度的紧凑型单片集成微型超级电容器(MIMSC)将成为为小型化电子产品供电不可或缺的，但其可扩展生产仍然具有挑战性。一些限制是他们前进道路上的障碍。

在密集堆积的微型超级电容器(MSC)上精确沉积电解质，同时确保电化学隔离是需要克服的最艰巨的挑战之一。此外，在复杂的微细加工过程中，电化学性能可能会显着牺牲，即使这样，也很难实现许多单个电池之间的性能均匀性。

为了解决这些关键问题，吴忠帅教授及其同事开发了一种创新的高通量策略，结合了多步骤光刻图案，MXene微电极的喷涂打印和凝胶电解质的三维(3D)打印，用于MIMSCs的大规模生产，同时实现卓越的细胞数量密度和高系统性能。

该团队通过利用高分辨率微图案技术进行微电极沉积和3D打印进行精确的电解质沉积，实现了近距离电化学隔离的微型超级电容器的单片集成。

首先，得益于光刻图案的高分辨率和MXene纳米片的独特性，制造了超致密的微电极阵列，并且每个基于MXene的MSC都表现出1.8 mm的极小尺寸。2， 4.1 mF cm 的高面电容-2， 457 F cm 的高容积电容-3，在高达 500 V s 的超高扫描速率下性能稳定-1.

其次，他们开发了一种简单、可靠和大通量策略，用于单个单元的电化学隔离。为此，合理设计了与新型3D打印技术兼容的凝胶电解质墨水，使相邻的微电池能够在仅600μm的近距离进行电化学隔离，并提供出色的性能均匀性。

因此，研究人员能够获得具有28个细胞cm的卓越面数密度的MIMSC。-2(400.3×5.4 厘米上的 1 个细胞2)，创纪录的面输出电压为 75.6 V cm-2，可接受的系统体积能量密度为 9.8 mWh cm-3，远远超过先前报告的综合MSC。

由于微细加工工艺(包括光刻，喷涂，提拔和3D打印)中每个步骤的可靠性和均匀性，所得MSC在更大范围内表现出出色的性能一致性，并且MIMSC在92 V的极高输出电压下经过4000次循环后表现出162%的良好电容保持率(见下图c)。

“这种创新的微细加工策略标志着作为单片微电源新技术平台的巨大进步，将有助于对储能单元要求紧凑集成和高系统性能的应用，”Wu说。

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