我所研制出高集成度的微型超级电容器储能模块

近日，我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员团队，与本草物质科学研究室（2800组群）陆瑶研究员、德国德累斯顿工业大学和马普所微观结构物理研究所冯新亮教授合作，在高集成度微型超级电容器模块方面取得新进展，发展了图案化粘附性基底诱导电解质定向沉积的新策略，实现了在大面积、高集成度、超小型化微电极阵列上的电解质高效、快速、精确添加，研制出高集成度和高性能一致性的小型化单片集成微型超级电容器储能模块。

为适应小型化、可穿戴、可植入微电子设备的快速发展，需要发展具有小体积、高集成度、高性能和高兼容度的微型储能器件。平面微型超级电容器由于无需隔膜和外部金属连接线的特殊结构，同时具有可靠的电化学性能和易于调控的连接方式，在微电子领域有着重要的发展潜力。然而，由于缺少可靠的高精度微电极阵列制备和高效的电解液精确沉积技术，大规模制备高集成度、高性能、可定制的微型超级电容器储能模块仍具挑战。

在本工作中，研究团队发展了一种普适、可控的电解质定位自组装新策略，实现了在高面数密度的大规模微电极阵列上电解质微液滴的精确快速定位添加，结合高精度的光刻和自动喷涂技术，研制出具有高面积数密度、高输出电压、性能稳定的集成化微型超级电容器模块。团队首先采用高精度光刻加工技术和高稳定性自动喷涂技术，制备出超小型集成化微型超级电容器电极阵列，单个器件的面积仅为0.36mm²，器件间距为100μm，实现了面积器件数密度为每平方厘米210个，即0.58×0.59cm²区域内包含72个定制连接的微器件。随后，团队利用光刻和表面改性技术在集成模块的表面设计构建出图案化粘附性，实现了极小区域内电解质的精确、快速均匀添加，5秒钟完成了集成模块10000个微器件单元电解质的限域，同时保障相邻单元微器件之间形成良好的电化学隔离，所得集成化微型超级电容器可以稳定输出190V的高电压，单位面积工作电压达555V/cm²。此外，该微型超级电容器模块在190V的极端工作电压下，循环9000次后，仍保持将近100%的初始容量。最后，利用平面微型超级电容器灵活多样的连接方式，团队还研制出一种由无线充电线圈和微型超级电容模块组成的无缝集成超紧凑型微系统，无线充电仅2秒后就停止充电，该微系统可有效地为显示屏供电30分钟，展现出重要实际应用潜力。

相关研究成果以“Monolithically integrated micro-supercapacitors with high areal number density produced by surface adhesive-directed electrolyte assembly”为题，于近日发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。该工作的第一作者是我所508组博士后王森。以上工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、大连市高层次人才创新支持计划等项目的资助。（文/图 王森）

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47216-5