基于印制电路板制程工艺的贴片超级电容器技术研究

基本信息
批准号:51607102
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:8.00
负责人:王洋
学科分类:
依托单位:清华大学
批准年份:2016
结题年份:2017
起止时间:2017-01-01 - 2017-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:张哲旭,王海波,邹培超,谢炳河,杨瑞
关键词:
贴片超级电容器印制电路板制程工艺可靠性复合电极材料电化学性能
结项摘要

With the development of high-density integrated circuits, surface mounted supercapacitors (SMSs) are widely needed in high power energy conversion and portable electronic devices. Compared with traditional plug-type supercapacitors, SMSs must suffer reflow soldering process under 260 degrees centigrade, which has great challenges to the selection and matching of electrode active material, electrolyte, diaphragm and encapsulation materials. Domestic manufacturers have no ability to produce SMSs; even for foreign manufacturers, such products have problems of low energy density. Based on the applicant’s previous research on supercapacitors, for the first time, this project puts forward the preparation of SMSs based on printed circuit board (PCB) processing technology, and solves the science and technology problems during the preparation. Specifically, first of all, the complementary and cooperative effects of the composite will be investigated, which aims to break through the reunion and stacking of the nanocarbon and metal oxide materials. The rheological property of active material well be studied, which leads to high-performance electrodes that can be printing, device-level preparation and show large capacity. Secondly, the ionic liquid electrolyte and high temperature diaphragm are chosen, the encapsulation of the SMS is completed by PCB processing techniques including electroplating, cutting and hot pressing, and so on. Finally, the overall performances of the devices are evaluated by electrochemical tests and reliability tests, the energy storage mechanism of the devices will be investigated. In conclusion, research results of this project will help to provide a good solution for the industrialization of high-performance SMS devices.

随着高密度集成电路的发展,大功率能源转换、便携电子器件等设备对贴片超级电容器的需求日益增多。相对于传统插接式结构的超级电容器,贴片元件须承受260℃的回流焊工艺冲击,这对电极活性物质、电解液、隔膜及封装材料的优选和匹配均有极大的挑战。目前国内厂商尚不能生产此类产品,国外产品也存在能量密度偏低的问题。基于前期的研究基础,本项目首次提出利用印制电路板制程工艺制备贴片超级电容器的技术,并解决其中的科学与工艺难题。首先,通过纳米碳材料与金属氧化物的深度复合与协同互补,突破材料的团聚、堆叠等技术瓶颈,改善其流变性能,实现可印刷、器件级、大载量的高性能电极制备;其次,优选离子液体电解液和耐高温隔膜,基于电镀、切割、热压等印制电路板制程工艺,完成贴片元件的封装;最后,通过电化学和可靠性测试对器件的性能进行整体评价,探索其能量存储机制。该项目的研究成果可为高性能贴片超级电容器的产业化提供优异的解决方案。

项目摘要

随着高密度集成电路的发展,大功率能源转换、便携电子器件等设备对贴片超级电容器的需求日益增多。相对于传统插接式结构的超级电容器,贴片元件对电极活性物质、电解液、隔膜及封装材料的优选和匹配均有极大的挑战。基于前期的研究基础,本项目首次提出利用印制电路板制程工艺制备贴片超级电容器的技术,并解决其中的科学与工艺难题。首先,通过石墨烯材料与多价态氧化锰材料的深度复合与协同互补,突破材料的团聚、堆叠等技术瓶颈,改善其流变性能,实现可印刷、器件级、大载量的高性能电极制备,该复合电极材料因具有高效的自由电子及离子的传输网络、多种价态锰氧化物材料中丰富的电子及离子缺陷、多价态氧化锰和石墨烯的协同作用等效应,显示出高比容量(202 F/g)、高载量(19 mg/cm2,此时面电容约2.5 F/cm2)和优异的循环特性(115000圈,容量保有率106%);其次,优选离子液体电解液和耐高温隔膜,基于电镀、切割、热压等印制电路板制程工艺,完成两类贴片元件(平面和三明治结构)的封装,该器件具有高能量密度(47.6 Wh/kg)和高功率密度(20.8 kW/kg)特征,单一器件的容量分别达到15mF和20mF,工作电压窗口达2.7V;此外,更重要的是,该器件显示出优异的循环特性,80000圈循环后容量保有率为初始值的96%,是目前非水系贋电容超级电容器的最高值。该项目的研究成果可为高性能贴片超级电容器的产业化提供优异的解决方案。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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