基于纳米碳材料的微型超级电容器三维打印构筑和应用基础研究

How to achieve a balance between the precious planar area of a chip and the low specific capacitanceper unit area of a micro-supercapacitor is a big challenge. In this project, a three-dimensional (3D) printing technique (Uniform Droplet Spray) will be employed to fabricate a 3D micor-supercapacitor, which is consisted of nano-carbon based electrodes and H2SO4/PVA based polymer gel electrolyte. By repeated depositing alternative layers of the electrode materials and the electrolyte, the energy density (per unit chip area) of the 3D micro-supercapacitor is expected to increase dramatically due to the fully utilization of the 3D space.The solution properties and rheological behavior of the electrode and electrolyte materials for 3D printing would be investigated, and the corresponding model and design principles would also be developed. Meanwhile, efforts will be devoted to developing specific theory and techniques of the Uniform Droplet Spray and achieving controllable method with a high-precision. In addition, the relationship between the micro-structures and the electrochemical performances of the micro-supercapacitor, as well as the regulation strategies would be established. In brief, the proposed project will explore the feasibility of fabricating micro-supercapacitors using 3D printing techniques and provide fundamental guidance for design and fabrication of newly developed high-performance micro-supercapacitors.

电子电路芯片弥足珍贵的平面面积与微型超级电容器单位面积比容量严重偏低的矛盾是目前电子核心基础产业亟待解决的关键问题之一。针对上述问题，本项目拟采用均匀液滴喷射三维打印技术,构筑具有三维立体结构的微型双电荷层超级电容器。该超级电容器以纳米碳材料为电极材料，H2SO4/PVA溶胶聚合物为电解质，采用多层叠加的形式，利用Z轴方向构建立体空间结构，显著提高其单位面积上的储能密度。本项目通过研究微型超级电容器三维打印关键材料溶液性质与流变行为，建立相应理论模型与设计原则；通过考察不同组元微喷动力学特性与归纳其三维拓扑结构的数字化模型，建立三维打印需求的个性化微喷理论、技术及精准控制方法；通过研究微型超级电容器电化学行为，阐明微型超级电容器空间结构与性能的构效关系及相应调控策略。本项目开展将为高性能微型超级电容器的设计、构筑及应用开发提供新的思路和科学依据。

电子电路芯片弥足珍贵的平面面积与微型超级电容器单位面积比容量严重偏低的矛盾是目前电子核心基础产业亟待解决的关键问题之一。针对上述问题，本项目拟采用均匀液滴喷射三维打印技术，构筑具有三维立体结构的微型双电荷层超级电容器。该超级电容器以纳米碳材料为电极材料，H3PO4/PVA溶胶聚合物为电解质，采用多层叠加的形式，利用Z轴方向构建立体空间结构，显著提高其单位面积上的储能密度。.在电极方面，通过聚多巴胺包覆的方法，得到了能够稳定分散的碳纳米管墨水，在此基础上，本项目通过研究碳纳米管墨水的溶液性质与流变行为，建立了关于粘度，粒径与可打印性能方面的设计原则。在电解质方面，通过构建氮化硼纳米通道，显著提升了聚合物电解质的离子电导率，从9mS/cm提升至29 mS/cm.针对聚合物电解质离子电导机理不明确的问题，结合计算与实验，提出了聚合物电解质阴离子电导模型，有效解释了聚合物电解质中阴离子传递机理。同时，从组分，环境温度，打印参数等多个角度出发，结合对于聚合物电解质在溶液性质与流变行为等方面的研究，明确了聚合物电解质均匀打印的调控方法与打印原则。在电解质以及电极两方面工作的基础上，实现了单个器件，三个器件以及五个器件并联的微型超级电容器的三维打印构筑，其容量分别为12.05 mF/cm2，33.72 mF/cm2以及54.12 mF/cm2。结果表明，通过三维打印方式构筑多层器件，显著提升了器件的面积比容量，并得到了器件空间结构与性能的构效关系及相应调控策略。.综上所述，通过在电极、电解质两方面，针对材料的电化学性能以及流变性能的研究，本项目建立了组分设计-工艺方法-空间结构之间的构效关系，实现了基于三维打印的三维高性能微型超级电容器构筑，为高性能微型超级电容器的设计、构筑及应用开发提供新的思路和科学依据。