根据平面型微型充电机充电超级电容器的芯片式纸基集成器材
2017-9-22 8:58:52 点击：
【导言】
平面型微型充电机充电超级电容器（MSC）作为一种新式的微型电化学储能器材，与传统的夹层式固态充电机充电超级电容器比较，其突出长处是能够容易地与传感器及其它电子器材进行有用的集成。而柔性传感器因为能被穿戴或许植入人体并能够检测周围环境信息而在医疗健康范畴引起了广泛的重视。但是，作为用电器材，传感器本身并不能独立作业，而需求电源为其进行供电。一般的办法是将传感器与电源经过外接导线连接，但这在柔性可穿戴技能中会引起极大的不方便。所以当时的一项应战是如何将柔性电源与传感器集成到同一芯片？研究者们在该范畴做了许多优异的作业，但仍有许多难题等候人们去应战。
【效果简介】
纸质资料的成本低且是一种即用即弃资料，更为重要的是因为纸具有多孔和粗糙的纤维结构从而能够增强其与电子器材的结合力。遗憾的是，因为纤维素孔隙引起的毛细效果使得经过印刷技能印刷的墨水资料会在纸基外表分散，导致图画质量差。研究者们在该范畴做了许多优异的作业，但仍有许多难题等候人们去应战。来自中国科学院兰州化学物理研究所清洁动力化学与资料实验室的阎兴斌研究员（通讯作者）等经过丝网印刷技能在滤纸外表形成了金属Ni叉指化集流体，并结合后续的电镀技能增强了集流体的导电性，一同按捺了金属Ni在纸基外表的分散，形成了分辨率较高的图画化集流体。在Ni外表经过电化学堆积MnO2或许聚吡咯（PPy）活性资料，并滴凃凝胶电解质，构筑了根据MnO2的对称性充电机充电超级电容器以及根据MnO2和PPy的非对称充电机充电超级电容器。经过测验其电化学功能和耐机械形变功能，显现纸基充电机充电超级电容器具有较好的电化学特性和很强的耐机械形变特性（弯折1万次后容量几乎没有改变）。其能量密度和功率密度皆坐落同类型充电机充电超级电容器的前列。根据在纸面印刷的金属集成电路，研究者们将MSCs和紫外传感器或许气体传感器集成到了同一单片纸上，集成器材显现了杰出的传感特性和自供电特性。
【图文导读】
图 纸基平面型对称充电机充电超级电容器（SMCS）的制备
a) 纸基对称充电机充电超级电容器的制备示意图.
b) 纸外表经过丝网印刷技能制备的金属Ni集流体数码相片
c) Ni/Paper 跟着曲折次数的电阻改变规则; 插图展现了一次曲折循环过程中的电阻改变规则
d) Ni集流体外表经电化学堆积MnO2后的数码相片
e) 堆积MnO2后展现叉指电极的光学相片
f) 堆积MnO2后叉指极的低倍和高倍SEM相片
纸基对称充电机充电超级电容器的电化学功能和耐机械形变功能
a) SMSC在不同扫速下的CV特性
b) SMSC在不同扫描速率下的面积比容量
c) SMSC在扫速为800 mV s−1 时的循环寿数; 插图为循环 1圈、100圈、30000圈和 60000圈后的CV曲线
d) SMSC 在不同曲折状态下的数码相片, 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在不同曲折状态下的CV特性
f) SMSC持续地曲折10圈的过程中CV曲线的改变
g) SMSC曲折10000次的过程中充电机充电电容的改变状况; 插图展现了器材曲折1次、1000次、和5000次后的CV曲线
纸基非对称充电机充电超级电容器（AMSC）的制备及其电化学功能
a) AMSC的制备示意图
b) 在扫速为30 mV s−1时，MnO2/Ni/CP和PPy/Ni/CP电极的CV曲线
c) AMSC在不同扫速下的CV曲线
d) AMSC的面积容量跟着放电电流密度的改变状况
e) 与其他文献中报道过的充电机充电超级电容器的比较图
f, g) 分别是AMSCs 并联f)和串联g)后的恒电流充放电曲线
AMSCs和UV传感器在单一纸片上的集成
a) 电路集成示意图
b) 用于UV传感器的ZnO 纳米线的SEM相片
c) 纸基集成器材展现柔性的数码相片
d) 纸基集成器材贴于手背的数码相片
e) 串联AMSC的自放电曲线
f, g) UV传感器分别被串联的AMSC和外电源供给1.0 V电压驱动时的光电流与时刻呼应曲线
可持续自供电的集成器材
a) AMSCs桥接太阳能电池和气体传感器的示意图
b) 用于气体传感器的PANI 纳米棒的SEM相片
c) 利用太阳能电池给串联AMSC充电的充电曲线和串联AMSC在电流密度为1 mA cm−2下的放电曲线
d) 当替换充入NH3和HCl时集成器材中气体传感器的呼应和康复曲线
【小结】
作者经过将丝网印刷技能与电镀技能相结合的办法成功地将金属Ni电路印刷到纸质基底外表，一方面在不需求对纸进行预处理的状况下按捺了墨水的分散；另一方面保留了纸质纤维素的的多孔结构。这一制备战略能够极大地增强纸基底与器材之间的结合力。根据这一印刷的集成电路，成功地将供能器材MSC与传感器集成到了纸基芯片上。未来能够将能量收集、能量存储和用电器材一同集成到纸基芯片。这种根据纸质基底的集成战略可为便携式和可穿戴电子开辟一种新式的规划办法。
平面型微型充电机充电超级电容器（MSC）作为一种新式的微型电化学储能器材，与传统的夹层式固态充电机充电超级电容器比较，其突出长处是能够容易地与传感器及其它电子器材进行有用的集成。而柔性传感器因为能被穿戴或许植入人体并能够检测周围环境信息而在医疗健康范畴引起了广泛的重视。但是，作为用电器材，传感器本身并不能独立作业，而需求电源为其进行供电。一般的办法是将传感器与电源经过外接导线连接，但这在柔性可穿戴技能中会引起极大的不方便。所以当时的一项应战是如何将柔性电源与传感器集成到同一芯片？研究者们在该范畴做了许多优异的作业，但仍有许多难题等候人们去应战。
【效果简介】
纸质资料的成本低且是一种即用即弃资料，更为重要的是因为纸具有多孔和粗糙的纤维结构从而能够增强其与电子器材的结合力。遗憾的是，因为纤维素孔隙引起的毛细效果使得经过印刷技能印刷的墨水资料会在纸基外表分散，导致图画质量差。研究者们在该范畴做了许多优异的作业，但仍有许多难题等候人们去应战。来自中国科学院兰州化学物理研究所清洁动力化学与资料实验室的阎兴斌研究员（通讯作者）等经过丝网印刷技能在滤纸外表形成了金属Ni叉指化集流体，并结合后续的电镀技能增强了集流体的导电性，一同按捺了金属Ni在纸基外表的分散，形成了分辨率较高的图画化集流体。在Ni外表经过电化学堆积MnO2或许聚吡咯（PPy）活性资料，并滴凃凝胶电解质，构筑了根据MnO2的对称性充电机充电超级电容器以及根据MnO2和PPy的非对称充电机充电超级电容器。经过测验其电化学功能和耐机械形变功能，显现纸基充电机充电超级电容器具有较好的电化学特性和很强的耐机械形变特性（弯折1万次后容量几乎没有改变）。其能量密度和功率密度皆坐落同类型充电机充电超级电容器的前列。根据在纸面印刷的金属集成电路，研究者们将MSCs和紫外传感器或许气体传感器集成到了同一单片纸上，集成器材显现了杰出的传感特性和自供电特性。
【图文导读】
图 纸基平面型对称充电机充电超级电容器（SMCS）的制备
a) 纸基对称充电机充电超级电容器的制备示意图.
b) 纸外表经过丝网印刷技能制备的金属Ni集流体数码相片
c) Ni/Paper 跟着曲折次数的电阻改变规则; 插图展现了一次曲折循环过程中的电阻改变规则
d) Ni集流体外表经电化学堆积MnO2后的数码相片
e) 堆积MnO2后展现叉指电极的光学相片
f) 堆积MnO2后叉指极的低倍和高倍SEM相片
纸基对称充电机充电超级电容器的电化学功能和耐机械形变功能
a) SMSC在不同扫速下的CV特性
b) SMSC在不同扫描速率下的面积比容量
c) SMSC在扫速为800 mV s−1 时的循环寿数; 插图为循环 1圈、100圈、30000圈和 60000圈后的CV曲线
d) SMSC 在不同曲折状态下的数码相片, 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在不同曲折状态下的CV特性
f) SMSC持续地曲折10圈的过程中CV曲线的改变
g) SMSC曲折10000次的过程中充电机充电电容的改变状况; 插图展现了器材曲折1次、1000次、和5000次后的CV曲线
纸基非对称充电机充电超级电容器（AMSC）的制备及其电化学功能
a) AMSC的制备示意图
b) 在扫速为30 mV s−1时，MnO2/Ni/CP和PPy/Ni/CP电极的CV曲线
c) AMSC在不同扫速下的CV曲线
d) AMSC的面积容量跟着放电电流密度的改变状况
e) 与其他文献中报道过的充电机充电超级电容器的比较图
f, g) 分别是AMSCs 并联f)和串联g)后的恒电流充放电曲线
AMSCs和UV传感器在单一纸片上的集成
a) 电路集成示意图
b) 用于UV传感器的ZnO 纳米线的SEM相片
c) 纸基集成器材展现柔性的数码相片
d) 纸基集成器材贴于手背的数码相片
e) 串联AMSC的自放电曲线
f, g) UV传感器分别被串联的AMSC和外电源供给1.0 V电压驱动时的光电流与时刻呼应曲线
可持续自供电的集成器材
a) AMSCs桥接太阳能电池和气体传感器的示意图
b) 用于气体传感器的PANI 纳米棒的SEM相片
c) 利用太阳能电池给串联AMSC充电的充电曲线和串联AMSC在电流密度为1 mA cm−2下的放电曲线
d) 当替换充入NH3和HCl时集成器材中气体传感器的呼应和康复曲线
【小结】
作者经过将丝网印刷技能与电镀技能相结合的办法成功地将金属Ni电路印刷到纸质基底外表，一方面在不需求对纸进行预处理的状况下按捺了墨水的分散；另一方面保留了纸质纤维素的的多孔结构。这一制备战略能够极大地增强纸基底与器材之间的结合力。根据这一印刷的集成电路，成功地将供能器材MSC与传感器集成到了纸基芯片上。未来能够将能量收集、能量存储和用电器材一同集成到纸基芯片。这种根据纸质基底的集成战略可为便携式和可穿戴电子开辟一种新式的规划办法。
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