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摘要

本文提供了一种使用喷墨打印机制造基于芯片的超级电容器的技术。详细描述了合成油墨，调整软件参数和分析所制造的超级电容器的电化学结果的方法。

摘要

在各个领域，将喷墨打印方法应用于可穿戴设备，显示器和储能设备的制造方面做出了巨大的努力。然而，为了获得高质量的产品，需要复杂的操作技能，具体取决于油墨材料的物理性能。在这方面，优化喷墨打印参数与开发油墨材料的物理性能同样重要。本研究对用于制造超级电容器的喷墨打印软件参数进行了优化。超级电容器是有吸引力的储能系统，因为它们具有高功率密度，长寿命以及作为电源的各种应用。超级电容器可用于物联网（IoT），智能手机，可穿戴设备，电动汽车（EV），大型储能系统等。广泛的应用需要一种可以制造各种规模设备的新方法。喷墨打印方法可以突破传统的固定尺寸制造方法。

引言

在过去的几十年中，已经为各种应用开发了多种打印方法，包括可穿戴设备1，制药2和航空航天组件3。只需更改要使用的材料，即可轻松适应各种设备。此外，它还可以防止原材料的浪费。为了制造电子设备，已经开发了几种印刷方法，例如丝网印刷4，推涂5和平版印刷6 。与这些印刷技术相比，喷墨印刷方法具有多重优势，包括减少材料浪费，与多种承印物兼容7，低成本8，灵活性9，低温加工10，易于批量生产11。然而，对于某些复杂的设备，几乎没有建议应用喷墨打印方法。在这里，我们提出了一个协议，该协议建立了使用喷墨打印方法打印超级电容器设备的详细指南。

超级电容器，包括伪电容器和电化学双层电容器（EDLC），正在成为可以补充传统锂离子电池的储能器件12，13。特别是，EDLC是一种有前途的储能器件，因为它具有低成本，高功率密度和长循环寿命14。活性炭（AC）具有高比表面积和导电性，在商用EDLC15中用作电极材料。交流电的这些特性使EDLC具有高电化学电容16。当使用传统的固定尺寸制造方法时，EDLC在器件中具有无源体积。通过喷墨打印，EDLC可以完全集成到产品设计中。因此，使用喷墨打印方法制造的设备在功能上优于现有固定尺寸方法制造的设备17。使用高效的喷墨打印方法制造EDLC可最大限度地提高EDLC的稳定性和使用寿命，并提供自由外形18。打印图案是使用PCB CAD程序设计的，并转换为Gerber文件。设计的图案是使用喷墨打印机打印的，因为它具有精确的软件控制，高材料吞吐量和打印稳定性。

研究方案

1. 使用PCB CAD程序设计图案

  1. 运行 CAD 程序。单击程序窗口顶部的" 文件 "按钮。要形成新的项目文件，请单击" 新建 "和" 项目 "按钮。
  2. 要生成开发板文件，请按顺序单击"文件"、"新建"和"版块"按钮。通过单击创建的"板文件"窗口左上角的网格形状网格按钮（或按窗口顶部的"视图"和"网格"的顺序单击）来设置网格大小、多个和 alt 值。
  3. 将网格大小和alt值从毫米更改为英寸，以便喷墨打印机可以读取PCB CAD图案。按 "最佳" 进行微调。
  4. 以交错形式设计集流体和 EDLC 线的图案。以矩形形式设计凝胶聚合物电解质（GPE）图案和集流体垫（图1）。
    注:图案宽度:43毫米，图案高度:55毫米，线长:40毫米，线宽:1.0毫米，线对线间距:1.5毫米，垫子尺寸:15 x 5毫米2。
    1. 由于最终图案由三种类型（导电线，EDLC和GPE）组成，因此按如下方式设置三层。
      1. 单击窗口顶部的 视图 和 图层设置 。通过单击"可见图层"窗口左下角的" 新建图层 "按钮来创建新 图层 。
      2. 在新窗口（新建图层）中，设置新图层的名称和颜色。为了直观地区分这些图层，请将三个图层的名称设置为 集流体、 EDLC 和 GPE，然后单击"颜色"右侧的框来更改相应的颜色。
    2. 按屏幕左下角的 "线条 "，单击主字段（黑色背景），然后拖动以绘制线条。要更改线条的粗细，请输入位于顶部中心的"宽度"值（以英寸刻度为单位）（1.0 mm = 0.0393701 英寸）。
    3. 要编辑线条的长度，请右键单击该行，然后单击底部的 "属性" 。在" 从" 和" 到 "字段中，输入起点和终点的 x 和 y 值。
    4. 要设置图案的参考点，请将 图 1 所示图案的左上角设置为 （0，0）。根据上述信息绘制模式的其余部分。
    5. 要将绘制的图案设置为所需的图层，请右键单击该图案，然后单击 "属性"。然后，单击" 图层"，然后选择所需的图层。
    6. 要绘制集流体焊盘和 GPE 的矩形图案，请按主窗口左下角的 Rect 。单击并拖动先前绘制的图案所在的屏幕（主字段）。
    7. 要进行编辑，请右键单击矩形曲面，然后单击底部的 "属性" 。在 "从 "和" 到 "字段中分别输入矩形的左上角 （x，y） 值和右下角 （x，y） 值。将矩形设置为所需的图层，如步骤 1.4.5 中所述。
  5. 将设计图案的CAD文件转换为喷墨打印机读取的Gerber文件格式。
    1. 在转换设计的图案文件之前，请将 电路板文件 保存为 .brd 格式。若要保存，请单击" 文件"，然后单击" 保存" （或按键盘上的 Ctrl + S）。
    2. 保存后，单击窗口顶部的文件，然后单击CAM处理器。要创建所需图层的 Gerber 文件，请修改窗口左侧"输出文件的 Gerber"下的项目，如下所示。
    3. 首先，按下面的"-"删除子列表，例如顶部铜和底部铜。按"+"并单击"新建格伯输出"以创建格伯输出。
    4. 在屏幕右侧，通过按右侧的齿轮将 "名称" 和" 功能 "中的图层名称设置为 "铜色 "。将 "层类型" 设置为 "顶部" ，并将集流体的 Gerber 层号 EDLC 和 GPE 分别设置为 L1、 L2、 L3。
    5. 在 Gerber File 底部的"图层"窗口中，单击左下角的"编辑图层"，然后选择每个所需的图层。
    6. 要设置要创建的输出文件的名称，请将窗口底部的"输出"的 Gerber 文件名设置为 %PREFIX/%NAME.gbr。
    7. 最后，单击窗口左上角的 "保存作业 "以保存设置。单击右下角的 "处理作业" 以创建 Gerber 文件。

2. 油墨合成

注:柔性Ag油墨用作集流体管路和焊盘的导电油墨。

  1. 使用松油醇，乙基纤维素，活性炭（AC），Super-P，聚偏二氟乙烯（PVDF）和Triton-X制备EDLC油墨，如下所示。
    1. 使用2，951μL高粘度的松油醇作为溶剂，使用1.56克乙基纤维素作为增稠剂。将交流电、Super-P 与 PVDF 之比设置为 7:2:1，总重量为 1.8478 g。此外，使用49μLTriton-X作为表面活性剂进行混合。
    2. 使用行星式混合器混合所有材料30分钟。将混合良好的电极材料放入喷墨打印机的墨盒中，并以115× g 离心5分钟。
  2. 使用碳酸丙烯酯（PC），PVDF和高氯酸锂（LiClO4）制备GPE油墨，如下所示。
    1. 以PC为溶剂，PVDF为聚合物基体，以LiClO4为盐。称量GPE的所有组分，使LiClO4的最终摩尔浓度为1 M，PVDF的最终重量%为5重量%。
    2. 在140°C下搅拌所有组分1小时，直到溶解。搅拌后，充分冷却GPE墨水并将其放入墨盒中。

3. 喷墨打印机软件参数设置

  1. 运行打印机程序。单击"打印"按钮，选择"简单"，然后按图 2 所示的顺序选择"柔性导电墨水"。
  2. 按照 图 3 中的 1 箭头上传设计模式的 Gerber 文件。选择并打开导电线的 Gerber 文件（参见图 3 中的 2 和 3 箭头）。单击 4 箭头指示的" 下一步 "按钮。
  3. 如图 4A所示固定PCB板，并如图 4B所示安装探头。
  4. 通过单击OUTLINE按钮通过探头调整PCB打印机的零点（请参阅 图5中的1，4红色箭头）。
    注:探头在PCB板上移动，同时显示图案的轮廓（见 图5右下角）。
  5. 通过拖动在屏幕上移动图案图像（请参阅 图 5 中的黄色虚线箭头）。再次单击 "大纲 "按钮以检查探头是否通过所需路径移动。单击 NEXT （由图 5 中的 5 箭头指示）。
  6. 单击 PROBE 测量基板的高度，以检查基板是否平坦（图 6）。
    注:基板上的探测区域由打印机内置的程序自动选择。
  7. 高度测量完成后，取下探头。将墨盒插入墨水分配器并连接喷嘴（内径:230μm）以准备分配器。
  8. 安装每个墨水（导电线，EDLC，GPE）分配器，并通过按下 校准 按钮打印样品图案，同时调整每种墨水的参数（图7）。
  9. 目视检查打印结果并记录每种墨水的参数值。有关详细信息 ，请参阅代表性结果 。

4. 打印导电线

注意:从步骤 4.1 开始。到 4.7.与第3节重叠，它们只是在下文简要概述。

  1. 运行喷墨打印机程序 ，然后单击开始 菜单中的打印，然后选择 简单 （图1）。
  2. 单击 Ink 旁边的"选择文件"按钮以加载设计的模式文件，然后单击 NEXT（图 3）。
  3. 将PCB板固定到打印机上并安装探头（图4）。
  4. 检查图案在基板上的位置并测量基板的高度（图5 和 图6）。
  5. 取下探头，然后安装导电墨水（柔性Ag墨水）分配器。
  6. 通过单击 "设置" 按钮更改导电墨水的软件参数（请参阅 图7 和 表1）。
  7. 打印示例模式以检查步骤 4.6 中的设置是否成功。
  8. 用乙醇润湿的清洁湿巾擦除样品打印图案。
  9. 通过按 START 按钮打印导电线的设计图案。
  10. 打印后，在180°C下固化导电线30分钟。然后，测量基板和导电线的总重量。

5. 打印 EDLC 行

  1. 在打印机程序的开始屏幕上选择" 对齐 "选项。加载 EDLC 线型文件，然后单击" 下一步 "（请参阅步骤 3.2）。
  2. 确保通过两个对准点检测导电线的位置，以对齐EDLC线和导电线的图案位置。然后，移动到随机点并检查位置是否正确。
  3. 通过单击 PROPEEL 按钮测量导电线的整体高度，以检查导电线上方分配器喷嘴的高度（见 图6）。
  4. 更改 EDLC 墨水的软件参数值（图 7 和 表 1）。
  5. 打印示例模式以检查软件参数值是否合适。用乙醇润湿的清洁湿巾擦除样品打印图案。按 "开始" 按钮打印 EDLC 行。
  6. 将印刷的EDLC管路在室温下干燥过夜以蒸发溶剂。
  7. 要计算干燥的 EDLC 线的重量，请测量基板、导电线和 EDLC 线的总重量。

6. 打印 GPE 图案

  1. 在打印机程序的开始屏幕上选择" 对齐 "选项。加载 GPE 模式的 Gerber 文件，然后单击" 下一步 "（请参阅步骤 3.2）。
  2. 检查对齐点并移动到任意点以检查位置是否正确。
  3. 测量 EDLC 线的高度以设置喷嘴的默认高度。
  4. 更改 GPE 墨水的软件参数值（图 7 和 表 1）。
  5. 打印示例模式以检查软件参数值是否合适。
  6. 用乙醇润湿的清洁湿巾擦除样品打印图案。打印 GPE 图案。
  7. 为了进行稳定过程并蒸发残留的溶剂，请在室温下干燥GPE图案24小时。

7. 电化学测试

  1. 按照以下步骤对喷墨打印的超级电容器设备进行电化学测量。打开恒电位仪并运行程序以测量循环伏安法 （CV）、恒电流充电/放电 （GCD） 和电化学阻抗谱 （EIS）。
    1. 将恒电位仪连接到之前打印的超级电容器器件。
      注:恒电位仪使用四条连接线:工作电极 （WE）、工作传感器 （WS）、对电极 （CE） 和参比电极 （RE）。
    2. 将WS线连接到WE线，将RE线连接到CE线，因为制造的器件是对称的超级电容器。
    3. 将WE\WS线和CE\RE线连接到超级电容器器件上相反的集流体焊盘。
  2. 生成一系列简历并运行它以获得结果。
    1. 运行程序以生成序列文件。
    2. 单击" 新建序列" 按钮。
    3. 单击" 添加 "按钮以生成步骤 1。
    4. 检查恒电位仪显示的电位是否为0 V。如果电位不是0 V，请按以下步骤操作。
      1. 将"控制"设置为"常量"，将"配置"设置为"类型"，将"模式"设置为"正常"，将"范围"设置为"自动"。对于电压 （V），设置参考。 作为 Eref，值为 0。
      2. 对于"截断条件"的条件 1，将"项目"设置为"步长时间"，将"OP"设置为 >=，将"增量值"设置为 1:00，将"下一个"设置为"下一步"。对于"杂项"设置，请按"采样"按钮，将"项目"设置为"时间"，将"OP"设置为 >=，将"增量值"设置为 30。
    5. 单击" 添加 "按钮以创建下一步。
      1. 将"控制"设置为"扫描"，将"类型"设置为"PSTAT"，将"模式"设置为"循环"，将"范围"设置为"自动"。 对于"初始 （V）"和"中间 "（V）"，将"引用"设置为"Eref"，将"值"设置为 0。对于最终 （V），将"引用"设置为"Eref"，将"值"设置为 800.00e-3。
      2. 使用 5、10、20、50 和 100 mV/s 的电压扫描速率。因此，根据每个扫描速率，将 扫描速率 （V/s） 分别设置为 5.0000e-3、 10.000e-3、 20.000e-3、 50.000e-3 和 100.00e-3。
      3. 对于所有扫描速率，请将"安静时间"设置为 0，将"段"设置为 21。对于截止条件的条件 1，将"项目"设置为"步骤结束"，将"下一步"设置为"下一步"。
      4. 对于 杂项设置，请按" 采样 "按钮并将 "项目" 设置为 "时间" ，将 "OP" 设置为 >=。对于每个扫描速率，将 DeltaValue 设置为 0.9375、 0.5、 0.25、 0.125 和 0.0625。
    6. 单击 "另存为" 按钮以保存CV测试的序列文件。
    7. 单击" 应用到 CH "，然后运行 CV 测试的序列文件以获取结果。
  3. 生成一个 GCD 序列并运行它以获得结果。
    1. 运行程序以生成序列文件。
    2. 单击" 新建序列" 按钮。
    3. 单击" 添加 "按钮以生成步骤 1。
    4. 检查恒电位仪显示的电位是否为0 V。如果电位不是0 V，请按以下步骤操作。
      1. 将"控制"设置为"常量"，将"类型"设置为"PSTAT"，将"模式"设置为"正常"，将"范围"设置为"自动"。对于电压 （V），将"参考"设置为"Eref"，将"值"设置为 0。
      2. 对于"截断条件"的条件 1，将"项目"设置为"步长时间"，将"OP"设置为">="，将"增量值"设置为 1:00，将"下一个"设置为"下一个"。对于杂项设置，请按"采样"按钮并将"项目"设置为"时间"，将"OP"设置为 >=，将"增量值"设置为 30。
    5. 单击"添加"按钮以创建下一步（充电步骤）。
      1. 将"控制"设置为"常量"，将"类型"设置为"GSTAT"，将"模式"设置为"正常"，将"范围"设置为"自动"。对于"当前 （A）"，将"引用"设置为"零"。
      2. 电流密度在 0.01 A/g 和 0.02 A/g 之间变化。因此，将每个电流密度的电流值 （A） 设置为 310.26e-6 和 620.52e-6。
      3. 对于截止条件的条件 1，将"项目"设置为"电压"、"OP"设置为 >=，"Delta 值"设置为 800.00e-3，将"下一个"设置为"下一个"。对于"杂项"设置，将"项目"设置为"时间"，将"OP"设置为 >=，将"增量值"设置为 1。
    6. 单击" 添加 "按钮以创建下一步（放电步骤）。
      注意:此步骤的设置与充电步骤相同。
      1. 将每个电流密度的电流值 （A） 设置为 -310.26e-6 和 -620.52e-6。
      2. 对于截止条件的条件 1，将项目设置为"电压"、"OP"设置为 <=，"增量值"设置为 0.0000e+0，"下一步"设置为"下一个"。对于"杂项"设置，将"项目"设置为"时间"，将"OP"设置为 >=，将"增量值"设置为 1。
    7. 单击" 添加 "按钮以创建下一步（循环步骤）。
      1. 将"控制"设置为"LOOP"，将"配置类型"设置为"循环"，将"迭代"设置为 21。
      2. 对于截止条件的条件 1，将列表 1 中的项设置为"循环下一个"。对于每个电流密度，将"下一步"设置为 STEP-2 表示 0.01 A/g，将 STEP-5 设置为 0.02 A/g。
    8. 点击 另存为 按钮以保存GCD测试的序列文件。
    9. 单击 "应用到 CH "并运行 GCD 测试的序列文件以获取结果。
  4. 生成一系列 EIS 并运行它以获取结果。
    1. 运行可以生成序列文件的程序。
    2. 单击" 新建序列" 按钮。
    3. 单击" 添加 "按钮以生成步骤 1。
      1. 将"控制"设置为"常量"，将"类型"设置为"PSTAT"，将"模式"设置为"计时器停止"，将"范围"设置为"自动"。
      2. 由于本研究中的工作电位窗口设置为 0.0 至 0.8 V，因此对于 电压， 将值 设置为 400.00e-3，这是工作电位窗口的平均值。将 "引用" 设置为 "引用"。
    4. 单击" 添加 "按钮以生成下一步。
      1. 将"控制"设置为 EIS，将"配置"中，将"类型"设置为 PSTAT，将"模式"设置为"日志"，将"范围"设置为"自动"。
      2. 将频率范围设置为 0.1 Hz 至 1 MHz。因此，将 "初始值（Hz） "和 "中间值"（Hz） 设置为 100.00e+6， 将"最终值（Hz）" 设置为 "100.00e-3"。
      3. 如 7.4.3.2 节所述，将偏差值 （V） 设置为 400.00e-3，并将 Ref. 设置为 Eref。
      4. 要保持线性响应，请将 振幅 （Vrms） 设置为 10.000e-3。
      5. 为此试验，将 "密度 "设置为 10 ， 将"迭代" 设置为 1 。
    5. 点击 另存为 按钮以保存GCD测试的序列文件。
    6. 单击" 应用于 CH "并运行 EIS 测试的序列文件以获取结果。

结果

根据步骤2合成墨水，并且可根据参考文献18确认墨水的特性。图8显示了导电油墨和EDLC油墨的结构性能，以及先前研究中报道的EDLC油墨的流变性能18。导电油墨被很好地烧结以形成连续的导电路径，并且纳米级的粗糙度有望增加与EDLC油墨的接触面积（图8A，B）。EDLC油墨在宏观尺度上均匀分布，但在微米?...

讨论

此协议中的关键步骤涉及软件参数设置，通过微调参数值来打印设计的图案。定制印刷可以优化结构并获得新的机械性能19。具有软件参数控制的喷墨打印方法，通过为打印过程选择优化的材料，可用于各个行业的复杂打印。

在使用喷墨打印制造超级电容器时，一篇论文报告说，开发具有均匀和高分辨率的图案仍然存在局限性。据悉，高温后处理仍需，物料...

披露声明

作者没有披露。

致谢

这项工作得到了韩国电力公司（批准号:R21XO01-24）的支持，这是由KIAT运营的韩国MOTIE行业专家的能力发展计划（编号:P0012453），以及2021年中港大学研究生研究奖学金。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
2” x 3” FR­4 boardVolteraSKU: 1000066PCB substrate
Activated carbonMTINp-Ag-0530HT
Eagle CADAutodeskPCB CAD program
Ethyl celluloseSigma Aldrich4607048.0-49.5% (w/w) ethoxyl basis
Flex 2 conductive inkVolteraSKU: 1000333Flexible Ag ink
Lithium perchlorateSigma Aldrich634565
Propylene carbonateSigma Aldrich310328
PVDFSigma Aldrich182702average Mw ~534,000 by GPC
Smart ManagerZIVE LABver : 6. 6. 8. 9Electrochemical analysis program
Super-PHyundai
TerpineolSigma Aldrich432628
Thinky mixerThinkyARE-310Planetary mixer
Triton-XSigma AldrichX100
V-One printerVolteraSKU: 1000329PCB printer
ZIVE SP1WonatechPotentiostat device

参考文献

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