用于植入式电子设备的微型电容器制备与性能研究

Energy supply technology is one of key problems for the implantable medical devices. Fabrication of two-dimensional layered materials based micro-supercapacitors with interdigitated structure is very important to improve the performance and efficiency of energy storage devices which are unwearable and bulky. This project aimed at the synthesis of two-dimensional layered materials from the chemical or physical process and the fabrication of flexible and high performance microcapacitors by photolithography method. Major features of the project include: (1) Controlling synthesis and of two-dimensional layered materials; (2) Fabrication of microsupercapacitor with interdigitated structure; (3) Optimizations of structure and performance of micro-supercapacitors. (4) Performance testing of microcapacitors served in the implantable electronic devices. The implementation of this project will lay the foundation to improve the performance of flexible micro-energy-storage devices and path the way to develop electrode materials system of micro-supercapacitors with high flexibility, and promote the disciplinary crossing and integration of materials, physics, chemistry, and medicine.

能量供给技术是植入式医疗电子设备的关键和难点。构建基于二维层状材料的叉指型微型电容器对于解决植入式电子设备体积大，不易集成等问题具有重要的科学意义和应用价值。本项目旨在通过化学或物理方法在基底上获得二维层状电极活性材料层，利用光刻等微加工技术构建高性能、可用于植入式医疗电子设备的微型电容器。并探索电极材料结构、电容器结构与性能之间的关系。研究内容包括：(1) 二维层状材料的可控合成；（2）叉指型微电容的制备；（3）微电容的结构与性能优化；（4）微电容在植入式医疗电子设备中的服役性能测试。本项目的实施，为解决微电容领域中存在的电极结构单一、体系狭窄、能量密度低等问题提供了有效的方法和途径；为高性能、小体积的新型微型电容器的设计和构建提供理论和关键技术支持；对促进材料、物理、化学、和医学等多学科的交叉融合有重要的学术意义。

近年来，随着技术的高速发展和人类对产品日益增加的需求，自供电功能的储能/柔性电子、植入式医疗电子一体化设备越来越受到广大研究者青睐。本项目主要以过渡族金属化合物（如ZnCo2O4三维结构, Ca2Ge7O16纳米球结构、Co3O4@NiCo2O4纳米线复合结构等）为研究对象，具体研究内容主要有以下三点：（1）通过水热/溶剂热化学过程，电沉积，电喷印，电纺丝等技术实现具有独特微观结构的可控构筑；如通过简单水热过程成功制备了Co3O4@NiCo2O4纳米线复合结构，以此材料做电极辅以胶态电解质，封装全固态对称性和非对称性电容器并进行性能测试。测试结果表明，该材料在电化学电容器领域具有较好的应用前景。相比对称型电容器，非对称型电容器的电压窗口扩大了一倍，在充放电电流密度10 mA/cm2的条件下，电容器显示了优异的循环性能，相应的能量密度和功率密度分别为75.6瓦小时/千克和1053瓦/千克。（2）通过涂覆、刮涂及光刻等半导体工艺手段构建三明治结构和平面结构等多种储能单元（如锂离子电池、超级电容器和锌离子电池等）；如利用3D打印技术制备具有拉伸性能的弹性橡胶基底，结合电沉积技术分别在弹性橡胶基底上生长Zn单质和聚苯胺电极材料，辅以胶态电解质制备了平面型柔性锌离子电池。测试结果表明：单个微型电池的能量密度为0.25mWh/cm2，功率密度为0.99mW/cm2。且在1mA/ cm2的恒电流充放电条件下，电池循环1200次以后仍然保持了68%的容量。（3）在柔性基底如PET和弹性橡胶等上构建储能单元与光电探测器、电化学传感器和气体传感器等集成系统，实现汗液的实时检测、自供电的光电探测等功能。总之，通过本项目的顺利进行，我们成功从电极材料入手，详细研究了储能单元及集成系统的结构、性能及其在柔性电子、医疗电子设备等领域的潜在应有。该项目的研究结果为柔性电子领域的发展提供了数据依据和参考。