我所研制出高集成度的微型超級電容器儲能模塊

近日，我所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組（508組）吳忠帥研究員團隊，與本草物質科學研究室（2800組群）陸瑤研究員、德國德累斯頓工業大學和馬普所微觀結構物理研究所馮新亮教授合作，在高集成度微型超級電容器模塊方面取得新進展，發展了圖案化粘附性基底誘導電解質定向沉積的新策略，實現了在大面積、高集成度、超小型化微電極陣列上的電解質高效、快速、精確添加，研制出高集成度和高性能一致性的小型化單片集成微型超級電容器儲能模塊。

為適應小型化、可穿戴、可植入微電子設備的快速發展，需要發展具有小體積、高集成度、高性能和高兼容度的微型儲能器件。平面微型超級電容器由于無需隔膜和外部金屬連接線的特殊結構，同時具有可靠的電化學性能和易于調控的連接方式，在微電子領域有著重要的發展潛力。然而，由于缺少可靠的高精度微電極陣列制備和高效的電解液精確沉積技術，大規模制備高集成度、高性能、可定制的微型超級電容器儲能模塊仍具挑戰。

在本工作中，研究團隊發展了一種普適、可控的電解質定位自組裝新策略，實現了在高面數密度的大規模微電極陣列上電解質微液滴的精確快速定位添加，結合高精度的光刻和自動噴涂技術，研制出具有高面積數密度、高輸出電壓、性能穩定的集成化微型超級電容器模塊。團隊首先采用高精度光刻加工技術和高穩定性自動噴涂技術，制備出超小型集成化微型超級電容器電極陣列，單個器件的面積僅為0.36mm²，器件間距為100μm，實現了面積器件數密度為每平方厘米210個，即0.58×0.59cm²區域內包含72個定制連接的微器件。隨后，團隊利用光刻和表面改性技術在集成模塊的表面設計構建出圖案化粘附性，實現了極小區域內電解質的精確、快速均勻添加，5秒鐘完成了集成模塊10000個微器件單元電解質的限域，同時保障相鄰單元微器件之間形成良好的電化學隔離，所得集成化微型超級電容器可以穩定輸出190V的高電壓，單位面積工作電壓達555V/cm²。此外，該微型超級電容器模塊在190V的極端工作電壓下，循環9000次后，仍保持將近100%的初始容量。最后，利用平面微型超級電容器靈活多樣的連接方式，團隊還研制出一種由無線充電線圈和微型超級電容模塊組成的無縫集成超緊湊型微系統，無線充電僅2秒后就停止充電，該微系統可有效地為顯示屏供電30分鐘，展現出重要實際應用潛力。

相關研究成果以“Monolithically integrated micro-supercapacitors with high areal number density produced by surface adhesive-directed electrolyte assembly”為題，于近日發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。該工作的第一作者是我所508組博士后王森。以上工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、大連市高層次人才創新支持計劃等項目的資助。（文/圖 王森）

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