CZ2018728A3 - Flexible supercapacitor and producing it - Google Patents
Flexible supercapacitor and producing it Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2018728A3 CZ2018728A3 CZ2018-728A CZ2018728A CZ2018728A3 CZ 2018728 A3 CZ2018728 A3 CZ 2018728A3 CZ 2018728 A CZ2018728 A CZ 2018728A CZ 2018728 A3 CZ2018728 A3 CZ 2018728A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- flexible
- printing
- thin conductive
- substrate
- electrodes
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000011245 gel electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 claims abstract description 10
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims abstract description 10
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims abstract description 9
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 229960002796 polystyrene sulfonate Drugs 0.000 claims abstract description 8
- 239000011970 polystyrene sulfonate Substances 0.000 claims abstract description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 claims abstract description 6
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 6
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 claims abstract description 6
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 229920000554 ionomer Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 8
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 6
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 4
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 3
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 claims description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims 1
- 238000005496 tempering Methods 0.000 claims 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 4
- 229920005570 flexible polymer Polymers 0.000 abstract 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 11
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 6
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 4
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 3
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YTPLMLYBLZKORZ-UHFFFAOYSA-N Thiophene Chemical compound C=1C=CSC=1 YTPLMLYBLZKORZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 235000011149 sulphuric acid Nutrition 0.000 description 2
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 238000003854 Surface Print Methods 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 239000002216 antistatic agent Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 1
- 229920000547 conjugated polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000002508 contact lithography Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000010335 hydrothermal treatment Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 239000002798 polar solvent Substances 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 229920000123 polythiophene Polymers 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 1
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 229940006186 sodium polystyrene sulfonate Drugs 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 125000000472 sulfonyl group Chemical group *S(*)(=O)=O 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229930192474 thiophene Natural products 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/24—Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/36—Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/66—Current collectors
- H01G11/70—Current collectors characterised by their structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
- H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Inks, Pencil-Leads, Or Crayons (AREA)
Abstract
Flexibilní superkondenzátor je vytvořen na ohebném polymerním substrátu tloušťky 0,025 až 0,1 mm na bázi polyetylentereftalátu s plazmovou úpravou povrchu, na němž je nanesen tenký vodivý potisk elektrod v tloušťce 0,5 až 10 µm o složení 40 až 80 % hmotn. směsi ionomerů poly(3,4-ethylenedioxythiophen):polystyren sulfonát (PEDOT:PSS), dále 0,1 až 10 % hmotn. grafenoxidu, dále 10 až 50 % hmotn. RuO, na této vrstvě je nanesen polymerní gelový elektrolyt v tloušťce 0,1 až 0,3 mm a na něm je umístěna ochranná vrstva v tloušťce 0,1 až 0,3 mm. Způsob výroby flexibilního superkondenzátoru zahrnuje následující kroky: 1) příprava inkoustu pro tenký vodivý potisk elektrod, 2) úprava povrchu ohebného polymerního substrátu plazmou a naprášení Au elektrod, 3) vytvoření tenkého vodivého potisku elektrod metodou inkjet tisku na povrchu substrátu předehřátého na 65 - 70 °C, 4) příprava polymerního gelového elektrolytu a jeho nanesení na tenký vodivý potisk elektrod, 5) uzavření povrchu superkondenzátoru nanesením ochranné vrstvy.The flexible supercapacitor is formed on a flexible polymeric substrate 0.025 to 0.1 mm thick based on polyethylene terephthalate with a plasma surface treatment, on which a thin conductive electrode print in a thickness of 0.5 to 10 µm with a composition of 40 to 80% by weight is applied. mixtures of ionomers poly (3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS), further 0.1 to 10 wt. of graphene oxide, further 10 to 50 wt. RuO, a polymer gel electrolyte 0.1 to 0.3 mm thick is applied to this layer and a protective layer 0.1 to 0.3 mm thick is placed on it. The method of manufacturing a flexible supercapacitor comprises the following steps: 1) preparation of ink for thin conductive electrode printing, 2) surface treatment of flexible polymer substrate by plasma and sputtering of Au electrodes, 3) formation of thin conductive electrode printing by inkjet printing on substrate surface preheated to 65 - 70 ° C, 4) preparation of a polymer gel electrolyte and its application to a thin conductive printing of electrodes, 5) sealing of the surface of the supercapacitor by applying a protective layer.
Description
Flexibilní superkondenzátor a způsob jeho výrobyFlexible supercapacitor and method of its production
Oblast technikyField of technology
Vynález se týká flexibilního superkondenzátoru a způsobu jeho výroby. Řešení je určeno primárně pro mikro-aplikace vyžadující vedle vysoké kapacity i dobrou ohebnost, například u mikrosenzorů a biomedicínských implantátů.The invention relates to a flexible supercapacitor and to a method of manufacturing the same. The solution is intended primarily for micro-applications requiring not only high capacity but also good flexibility, for example in microsensors and biomedical implants.
Dosavadní stav technikyPrior art
V současnosti se flexibilní mikroelektronika těší značnému zájmu zejména díky vlastnostem jako je miniaturní velikost, vysoká ohebnost, nízká hmotnost. Jedním z klíčových požadavků při návrhu flexibilní mikroelektroniky a zejména superkondenzátorů je dostatečná kapacita a dobré mechanické vlastnosti umožňující vysokou flexibilitu.At present, flexible microelectronics enjoys considerable interest, mainly due to properties such as miniature size, high flexibility, low weight. One of the key requirements in the design of flexible microelectronics and especially supercapacitors is sufficient capacity and good mechanical properties allowing high flexibility.
Tato elektrická zařízení nacházejí uplatnění jako mikrosenzory, mikrobaterie, biomedicínské implantáty a mikrosystémy pro získávání energie.These electrical devices are used as microsensors, microbatteries, biomedical implants and microsystems for energy recovery.
Jednou z nej slibnějších technik pro výrobu těchto flexibilních elektronických součástek je inkjet tisk. Mezi jeho hlavní výhody patří kompatibilita s různými substráty, bezkontaktní technologie tisku, skutečnost, že není třeba užívat žádných tiskových masek a možnost tisku za nižších teplot (70 °C) než u jiných technologií.One of the most promising techniques for the production of these flexible electronic components is inkjet printing. Its main advantages include compatibility with various substrates, non-contact printing technology, the fact that there is no need to use any printing masks and the possibility of printing at lower temperatures (70 ° C) than with other technologies.
Obecně adaptací ink-tisku pro sériovou výrobu se zabývá např. CN107053840 (A). Konkrétněji zaměřený, a to na tisk superkondenzátoru, je dokument CN108122685 (A), kde je popsána výroba vrstveného superkondenzátoru. Nicméně dané konstrukční řešení superkondenzátoru neumožňuje dosažení dostatečné flexibility finálního zařízení.In general, the adaptation of ink-printing for series production is dealt with, for example, by CN107053840 (A). More specifically, focusing on supercapacitor printing is CN108122685 (A), which describes the production of a layered supercapacitor. However, the given design of the supercapacitor does not allow to achieve sufficient flexibility of the final device.
Elektrodové materiály v tisknutelné elektronice obecně a zejména pak v superkondenzátorech jsou vyrobeny na bázi grafenu (US 2014334065 (A), US 8810996) Nevýhodou vynálezu US 8810996 je poměrně vysoký teplotní rozsah (140-800°C) potřebný pro tisk ve srovnání s naším řešením (cca 70°C). Další známé řešení využívá vodivých polymerů (N. Peřinka. Study of functional systems on base of electrically conductingpolymer layers, disertace, Pardubice, 2014). Tyto elektrodové materiály naopak vykazují nízkou kapacitu a flexibilitu.Electrode materials in printable electronics in general and in supercapacitors in particular are made on the basis of graphene (US 2014334065 (A), US 8810996). The disadvantage of US 8810996 is the relatively high temperature range (140-800 ° C) required for printing compared to our solution. (approx. 70 ° C). Another known solution uses conductive polymers (N. Peřinka. Study of functional systems on the basis of electrically conducting polymer layers, dissertation, Pardubice, 2014). These electrode materials, on the other hand, show low capacity and flexibility.
Současným trendem je výroba tištěné elektroniky na bázi vodivých polymerů. Sem patří poly(3,4-ethylenedioxythiophen) : polystyren sulfonát, což je polymemí směs dvou ionomerů (obvykle označovaná jako PEDOT: PSS), která se jeví pro inkjet tisk jako nejvhodnější díky schopnosti snadno vytvořit uniformní tenký film, který vydrží i na ohebném substrátu.The current trend is the production of printed electronics based on conductive polymers. This includes poly (3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate, a polymeric mixture of two ionomers (commonly referred to as PEDOT: PSS) that appears to be most suitable for inkjet printing due to its ability to easily form a uniform thin film that will withstand flexible substrate.
Jednou složkou směsi je surfaktant - polystyrensulfonát sodný (PSS), který je sulfonovaný polystyren. Část sulfonylových skupin je deprotonována a má negativní náboj.One component of the mixture is a surfactant - sodium polystyrene sulfonate (PSS), which is sulfonated polystyrene. Some of the sulfonyl groups are deprotonated and have a negative charge.
Druhá složka - poly(3,4-ethylendioxy)thiophen (PEDOT) je konjugovaný polymer. Nese pozitivní náboj a je na bázi polythiophenu. Nabité makromolekuly tvoří makromolekulám! sůl. Je používán jako transparentní vodivý polymer s vysokou tažností v různých aplikacích, například pro fotografické filmy, kde působí jako antistatické činidlo zabraňující tvorbě elektrostatického náboje během výroby a užívání filmu, nezávisle na vlhkosti. Další aplikační oblastí je užití jako elektrolyt v polymerních elektrolytických kondenzátorech.The second component - poly (3,4-ethylenedioxy) thiophene (PEDOT) is a conjugated polymer. It carries a positive charge and is based on polythiophene. Charged macromolecules form macromolecules! salt. It is used as a transparent conductive polymer with high ductility in various applications, for example for photographic films, where it acts as an antistatic agent to prevent the formation of electrostatic charge during the production and use of the film, independent of moisture. Another area of application is the use as an electrolyte in polymer electrolytic capacitors.
Inkoust na bázi PEDOT:PSS má omezenou kapacitu a problémem je i to, že ve vodných elektrolytech botná. Pro účely elektrických tištěných prvků je třeba vyšší kapacity a flexibility, ale navíc se v aplikacích pro mikroelektroniku vyskytuje i problém s botnáním.PEDOT-based ink: PSS has a limited capacity and the problem is that it swells in aqueous electrolytes. For the purposes of electrically printed elements, higher capacities and flexibility are needed, but in addition, there is a problem with swelling in applications for microelectronics.
- 1 CZ 2018 - 728 A3- 1 CZ 2018 - 728 A3
Podstata vynálezuThe essence of the invention
Uvedené nevýhody a nedostatky dosud známých výrobků tištěné elektroniky a mikroelektroniky do značné míry odstraňuje flexibilní superkondenzátor podle vynálezu. Podstata vynálezu spočívá vtom, že superkondenzátor je vytvořen na ohebném polymemím substrátu tloušťky 0,025 až 0,1 mm na bázi polyetylentereftalátu s plazmovou úpravou povrchu, na němž je nanesen tenký vodivý potisk elektrod v tloušťce 0,5 až 10 pm o složení 40 až 80 % hmota, směsi ionomerů poly(3,4-ethylenedioxythiophen):polystyren sulfonát (PEDOTPSS), dále 0,1 až 10 % hmota, grafenoxidu (GO), dále 10 až 50 % hmota. RuCE: na této vrstvě je nanesen polymemí gelový elektrolyt v tloušťce 0,1 až 0,3 mm a na něm je umístěna ochranná vrstva v tloušťce 0,1 až 0,3 mm.The disadvantages and shortcomings of the hitherto known printed electronics and microelectronics products are largely eliminated by the flexible supercapacitor according to the invention. The essence of the invention lies in the fact that the supercapacitor is formed on a flexible polymeric substrate 0.025 to 0.1 mm thick based on polyethylene terephthalate with plasma surface treatment, on which a thin conductive printing of electrodes 0.5 to 10 μm thick with a composition of 40 to 80% is applied. mass, mixtures of ionomers poly (3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate (PEDOTPSS), further 0.1 to 10% by weight, graphene oxide (GO), further 10 to 50% by weight. RuCE: a polymer gel electrolyte 0.1 to 0.3 mm thick is applied to this layer and a protective layer 0.1 to 0.3 mm thick is placed on it.
Flexibilní superkondenzátor podle vynálezu má s výhodou polymemí gelový elektrolyt na bázi polyvinylalkohol/FESCL nebo polyvinylalkohol/FFPCk.The flexible supercapacitor according to the invention preferably has a polymer gel electrolyte based on polyvinyl alcohol / FESCL or polyvinyl alcohol / FFPCk.
Ochranná vrstva flexibilního superkondenzátom podle vynálezu je s výhodou na bázi látky ze skupiny obsahující polydimetylsiloxan, polyetylentereftalát, polyimid.The protective layer of the flexible supercondensate according to the invention is preferably based on a substance from the group consisting of polydimethylsiloxane, polyethylene terephthalate, polyimide.
Způsob výroby flexibilního superkondenzátom podle vynálezu spočívá v tom, že zahrnuje následující kroky: 1) příprava inkoustu pro tenký vodivý potisk elektrod, 2) úprava povrchu ohebného polymemího substrátu plazmou a naprášení Au elektrod, 3) vytvoření tenkého vodivého potisku elektrod metodou inkjet tisku na povrchu substrátu předehřátého na 65 - 70 °C, 4) příprava polymemího gelového elektrolytu a jeho nanesení na tenký vodivý potisk elektrod, 5) uzavření povrchu superkondenzátom nanesením ochranné vrstvy.The method for producing a flexible supercondensate according to the invention consists in the following steps: 1) preparation of ink for thin conductive printing of electrodes, 2) surface treatment of flexible polymeric substrate by plasma and sputtering of Au electrodes, 3) formation of thin conductive printing of electrodes by inkjet surface printing substrate preheated to 65 - 70 ° C, 4) preparation of a polymeric gel electrolyte and its application to a thin conductive printing of electrodes, 5) sealing the surface with a supercondensate by applying a protective layer.
Úprava povrchu ohebného polymemího substrátu plazmou se s výhodou provede pomocí mikrovlnného reaktoru pracujícím na frekvenci 2.45 GHz s výkonem 25-35 W v pracovní atmosféře s čistotou alespoň 99,95 %, s průtokem pracovního plynu 3-7 standartních cm3 min1 při tlaku 40-70 Pa, s dobou opracování 30-90 s. Pracovní atmosféra je s výhodou tvořena kyslíkem nebo argonem.The plasma treatment of the flexible polymeric substrate is preferably performed using a microwave reactor operating at 2.45 GHz with a power of 25-35 W in a working atmosphere with a purity of at least 99.95%, with a working gas flow of 3-7 standard cm 3 min 1 at 40 -70 Pa, with a treatment time of 30-90 s. The working atmosphere is preferably formed by oxygen or argon.
Základem flexibilních superkondenzátom podle vynálezu je vrstva PEDOT:PSS/GO/RuC>2 která má vysokou životnost a velmi dobrou elektrochemickou charakteristiku. Flexibilní superkondenzátory na této bázi byly stabilní po 1000 nabíjecích/vybíjecích cyklech a vykazovaly elektrickou kapacitu v rozmezí od 5 do 40 mF cm-2 dle poměm složek inkoustu. Další důležitou předností flexibilních superkondenzátorů podle vynálezu je jejich ohebnost, která je předurčuje pro užití v náročných aplikacích, například u mikrosenzorů a biomedicínských implantátů. Výhodná je i symetrická konstrukce superkondenzátorů podle vynálezu, kdy katoda i anoda jsou vyrobeny ze stejného materiálu.The basis of the flexible supercondensates according to the invention is the PEDOT: PSS / GO / RuC> 2 layer which has a long service life and very good electrochemical characteristics. Flexible supercapacitors based on this were stable after 1000 charge / discharge cycles and had an electrical capacity ranging from 5 to 40 mF cm -2 depending on the ratio of ink components. Another important advantage of the flexible supercapacitors according to the invention is their flexibility, which predestines them for use in demanding applications, for example in microsensors and biomedical implants. The symmetrical construction of the supercapacitors according to the invention is also advantageous, where the cathode and the anode are made of the same material.
Vedle vysoké úrovně užitných vlastností je výhodou způsobu výroby flexibilních superkondenzátorů podle vynálezu možnost využití aktuální metody inkjet-tisku k efektivnímu vytvoření tenké vodivé vrstvy elektrod na ohebném substrátu.In addition to the high level of utility properties, the advantage of the method of manufacturing flexible supercapacitors according to the invention is the possibility of using the current inkjet printing method to effectively form a thin conductive layer of electrodes on a flexible substrate.
Objasnění výkresůExplanation of drawings
- obr. 1 - schéma flexibilního superkondenzátom;Fig. 1 - diagram of a flexible supercondensate;
- obr. 2 - znázornění konstmkce flexibilního superkondenzátom v řezu;Fig. 2 is a sectional view of the construction of a flexible supercondensate;
- obr. 3 - CV- křivky superkondenzátom (zařízení 1) při skenovací rychlosti: 1-5 mV/s, 210 mV/s, 3- 20 mV/s, 4- 50 mV/s, 5- 100 mV/s, 6- 200 mV/s;- Fig. 3 - CV-curves by supercapacitor (device 1) at scanning speed: 1-5 mV / s, 210 mV / s, 3-20 mV / s, 4-50 mV / s, 5-100 mV / s, 6,200 mV / s;
-2 CZ 2018 - 728 A3-2 CZ 2018 - 728 A3
- obr. 4 - graf galvanostatického nabijení/vybíjení (zařízení 1) při proudové hustotě: ΙΟ,2 mA/cm2, 2-0,15 mA/ cm2, 3-0,1 mA/ cm2, 4 - 0,08 mA/ cm2, 5 - 0,05 mA/cm2;- Fig. 4 - graph of galvanostatic charging / discharging (device 1) at current density: ΙΟ, 2 mA / cm 2 , 2-0.15 mA / cm 2 , 3-0.1 mA / cm 2 , 4 - 0, 08 mA / cm 2 , 5 - 0.05 mA / cm 2 ;
- obr. 5 - CV křivky superkondenzátoru (zařízení 2) při skenovací rychlosti: 1-5 mV/s, 210 mV/s, 3- 20 mV/s, 4- 50 mV/s, 5- 100 mV/s, 6- 200 mV/s;- Fig. 5 - CV curves of the supercapacitor (device 2) at scanning speed: 1-5 mV / s, 210 mV / s, 3-20 mV / s, 4-50 mV / s, 5-100 mV / s, 6 - 200 mV / s;
- obr. 6 - graf galvanostatického nabijení/vybíjení (zařízení 2) při proudové hustotě: ΙΟ,2 mA/cm2, 2-0,15 mA/ cm2, 3-0,1 mA/ cm2, 4 - 0,08 mA/ cm2, 5 - 0,05 mA/ cm2;- Fig. 6 - graph of galvanostatic charging / discharging (device 2) at current density: ΙΟ, 2 mA / cm 2 , 2-0.15 mA / cm 2 , 3-0.1 mA / cm 2 , 4 - 0, 08 mA / cm 2 , 5 - 0.05 mA / cm 2 ;
- obr. 7 - povrchová kapacita stanovená pro všechna zařízení;Fig. 7 - surface capacity determined for all devices;
- obr. 8 - výkon zařízení při cyklickém zatěžování (při 0,1 mA/cm2)- Fig. 8 - power of the device under cyclic loading (at 0.1 mA / cm 2 )
- obr. 9 - závislost proudu na napětí před a po ohybovém testu (poloměr ohybu 3 mm);Fig. 9 - current dependence on stress before and after bending test (bending radius 3 mm);
- obr. 10 - výkon zařízení při cyklickém zatěžování (při 0.1 mA/ cm2) kombinovaném s ohybovým testem (vždy po 50 cyklech).- Fig. 10 - performance of the device under cyclic loading (at 0.1 mA / cm 2 ) combined with a bending test (always after 50 cycles).
Příklady uskutečnění vynálezuExamples of embodiments of the invention
Příprava a složení inkoustuPreparation and composition of ink
Tenká vodivá vrstva elektrod na bázi PEDOTPSS matrice interkalované grafenoxidem (GO) a částicemi RuO? byla připravena inkjet tiskem.Thin conductive layer of electrodes based on PEDOTPSS matrix intercalated with graphene oxide (GO) and RuO particles? was prepared by inkjet printing.
K tomuto účelu byl připraven vodorozpustný inkoust ultrazvukovým mícháním směsi s DMSO (aprotické polární rozpouštědlo) nebo Surfbnylem (surfaktant) a vytvořením disperze složek: PEDOT: PSS, GO a oxid ruthenia.For this purpose, a water-soluble ink was prepared by ultrasonically mixing a mixture with DMSO (aprotic polar solvent) or Surfbnyl (surfactant) and forming a dispersion of the components: PEDOT: PSS, GO and ruthenium oxide.
Inkoust představuje disperzi založenou na vodivém polymeru, a to poly-3,4 etylendioxidthiofenu (PEDOT) smíchaného kvůli lepší chemické stabilitě se surfaktantem (PSS) do výsledné disperze PEDOTPSS, grafen oxidu (GO) a RuO2. Jeho příprava byla následující:The ink is a dispersion based on a conductive polymer, poly-3,4-ethylene dioxide thiophene (PEDOT) mixed for better chemical stability with a surfactant (PSS) into the resulting dispersion of PEDOTPSS, graphene oxide (GO) and RuO2. His preparation was as follows:
K vodnému roztoku (1,3 hm. %) PEDOTPSS byla přidána disperze GO (c = 1 mg/ml) a jako rozpouštědlo dimetylsulfoxid (DMSO) a disperze (c = 1,3 mg/ml) RuO2.To the aqueous solution (1.3% by weight) of PEDOTPSS was added a dispersion of GO (c = 1 mg / ml) and, as a solvent, dimethyl sulfoxide (DMSO) and a dispersion (c = 1.3 mg / ml) of RuO2.
Koloidní disperze GO byly získány Hummerovou metodou. Disperze nanočástic RuO2 byly syntetizovány hydrotermální úpravou RuCT. Obě složky byly následně smíchány s roztokem PEDOT: PSS - DMSO disperze. Takto připravené disperze byly míchány v ultrazvukové lázni po dobu 1 hodiny, tak aby byla konečná disperze byla vhodná pro inkjet tisk.Colloidal GO dispersions were obtained by the Hummer method. Dispersions of RuO2 nanoparticles were synthesized by hydrothermal treatment of RuCT. Both components were then mixed with the PEDOT: PSS - DMSO dispersion solution. The dispersions thus prepared were stirred in an ultrasonic bath for 1 hour so that the final dispersion was suitable for inkjet printing.
Tab. 1. Poměr (hmotnostní) mezi složkami pro pět různých kompozic inkoustu.Tab. 1. Ratio (by weight) between components for five different ink compositions.
Příprava/opracování substrátuSubstrate preparation / processing
-3 CZ 2018 - 728 A3-3 CZ 2018 - 728 A3
Výsledný film byl nanesen na flexibilním substrátu a sice polyetylentereftalát (PET), který bylo pro zajištění dostatečné adheze/smáčivosti výše popsaného inkoustu nutno nejdříve aktivovat. Aktivace byla provedena oplazmováním PET v mikrovlnném plazma reaktoru pracujícím na frekvenci 2,45 GHz a při následujících parametrech: výkon 30 W, pracovní plyn Ar, čas opracování 60 s.The resulting film was applied to a flexible substrate, namely polyethylene terephthalate (PET), which had to be activated first to ensure sufficient adhesion / wettability of the ink described above. Activation was performed by purging PET in a microwave plasma reactor operating at a frequency of 2.45 GHz and at the following parameters: power 30 W, working gas Ar, processing time 60 s.
Tisk tenké vodivé vrstvy elektrodPrinting of a thin conductive layer of electrodes
I když na takto opracovaný substrát lze již tisknout vrstvu inkoustu, byla před vlastním tiskem na substrát naprášena tenká vrstva na bázi Au (Pd) sloužící jako sběrač proudu. Tvorba tenké vodivé vrstvy elektrod proběhla chemickou reakcí mezi složkami inkoustu, kjejímuž průběhu byl substrát temperován na teplotu 70 °C.Although a layer of ink can already be printed on the substrate thus treated, a thin layer based on Au (Pd) serving as a current collector was sprayed on the substrate before printing. The formation of a thin conductive layer of electrodes took place by a chemical reaction between the ink components, during which the substrate was tempered to a temperature of 70 ° C.
Inkjet-tisk byl realizován na komerčně dostupné inkoustové tiskárně Dimatix materials printer, DMP2830.Inkjet printing was performed on a commercially available inkjet printer Dimatix materials printer, DMP2830.
Vícesložková disperze byla vytištěna na předem aktivovaný PET substrát s naprášenou tenkou vrstvou Au elektrod.The multicomponent dispersion was printed on a pre-activated PET substrate with a sputtered thin layer of Au electrodes.
Příprava gelového elektrolytuPreparation of gel electrolyte
Polymemí elektrolyt na bázi polyvinylalkoholu (PVA) a H2SO4 (5g 1M H2SO4 bylo smícháno s roztokem PVA obsahujícím 50 g PVA) byl aplikován na elektrody v kapalné fázi a po vysušení vytvořil vrstvu elektrolytu. Vrstva elektrolytu se nechala vyschnout tak, aby fáze výsledného výrobku (superkondenzátor) byla pevná.A polymer electrolyte based on polyvinyl alcohol (PVA) and H2SO4 (5 g of 1M H2SO4 was mixed with a PVA solution containing 50 g of PVA) was applied to the electrodes in the liquid phase and, after drying, formed an electrolyte layer. The electrolyte layer was allowed to dry so that the phase of the final product (supercapacitor) was solid.
Uzavření ochrannou vrstvouClosing with a protective layer
Superkondenzátor s vrstvou gelového elektrolytu byl uzavřen/přikryt ochrannou vrstvou na bázi polydimetylsiloxanu, čímž byl výsledný výrobek (superkondenzátor) hotov. Výsledkem popsaných kroků byl flexibilní superkondenzátor s tenkou vodivou vrstvou elektrod (=vrstva PEDOT: PSS / GO / Ru02) s tloušťkou v rozmezí 5 až 10 mikronů a definovanou geometrií elektrod danou inkjet tiskem.The supercapacitor with the gel electrolyte layer was closed / covered with a protective layer based on polydimethylsiloxane, whereby the final product (supercapacitor) was finished. The result of the described steps was a flexible supercapacitor with a thin conductive layer of electrodes (= PEDOT layer: PSS / GO / Ru02) with a thickness in the range of 5 to 10 microns and a defined electrode geometry given by inkjet printing.
Test flexibility (ohybový)Flexibility test (bending)
Po ohybových zkouškách (poloměr ohybu 2,0 až 0,5 cm) superkondezátoru nebyla pozorována žádná významnější změna v naměřených závislostech proud-napětí.After bending tests (bending radius 2.0 to 0.5 cm) of the supercapacitor, no significant change in the measured current-voltage dependences was observed.
Příklad 1Example 1
Zařízení č. 1 - superkondenzátor o složení tenké vodivé vrstvy (inkoustu) viz Tab. 1, kompozice 2.Device No. 1 - supercapacitor with the composition of a thin conductive layer (ink) see Tab. 1, composition 2.
Uspořádání a naměřené závislosti viz obr. 1 až 4, 7 až 10.See Fig. 1 to 4, 7 to 10 for arrangement and measured dependences.
Příklad 2Example 2
Výše uvedené kroky byly realizovány při výrobě zařízení č. 2 - superkondenzátor o složení tenké vodivé vrstvy (inkoustu) viz Tab. 1, kompozice 4.The above steps were carried out in the production of device No. 2 - supercapacitor with a composition of a thin conductive layer (ink), see Tab. 1, composition 4.
Uspořádání a naměřené závislosti zachycují obr. 1 a 2, 5 až 10.The arrangement and measured dependences are shown in Figures 1 and 2, 5 to 10.
-4 CZ 2018 - 728 A3-4 CZ 2018 - 728 A3
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Flexibilní superkondenzátor podle vynálezu je určen primárně k využití pro mikro-aplikace vyžadující vedle vysoké kapacity i dobrou ohebnost, například u mikrosenzorů, mikrobaterií, biomedicínských implantátů a mikrosystémů pro získávání energie. Je vhodný pro takové aplikace, kde je důležitá dobrá ohebnost superkondenzátoru a zachování jeho soudržnosti s podkladem při vysoké úrovni funkčních vlastností. Popsaný způsob výroby superkondenzátoru bude možno analogicky využít i pro ostatní elektrické prvky, například rezistory.The flexible supercapacitor according to the invention is intended primarily for use in micro-applications requiring not only high capacity but also good flexibility, for example in microsensors, microbatteries, biomedical implants and energy recovery microsystems. It is suitable for such applications where good flexibility of the supercapacitor is important and maintaining its cohesion with the substrate at a high level of functional properties. The described method of manufacturing a supercapacitor can be used analogously for other electrical elements, such as resistors.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2018728A CZ308635B6 (en) | 2018-12-20 | 2018-12-20 | Flexible supercapacitor and producing it |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2018728A CZ308635B6 (en) | 2018-12-20 | 2018-12-20 | Flexible supercapacitor and producing it |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2018728A3 true CZ2018728A3 (en) | 2020-07-01 |
| CZ308635B6 CZ308635B6 (en) | 2021-01-20 |
Family
ID=71132467
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2018728A CZ308635B6 (en) | 2018-12-20 | 2018-12-20 | Flexible supercapacitor and producing it |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ308635B6 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113077998A (en) * | 2021-03-22 | 2021-07-06 | 西安交通大学 | Ruthenium dioxide/graphene composite electrode for supercapacitor and preparation method thereof |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110129732A1 (en) * | 2009-12-01 | 2011-06-02 | Applied Materials, Inc. | Compressed powder 3d battery electrode manufacturing |
| CN102354619B (en) * | 2011-09-14 | 2016-08-17 | 中国第一汽车股份有限公司 | A kind of flexible solid-state supercapacitor |
| US8691324B2 (en) * | 2012-04-03 | 2014-04-08 | Xerox Corporation | Dry coating processes for substrates |
| US9824828B2 (en) * | 2012-10-17 | 2017-11-21 | Singapore University Of Technology And Design | High specific capacitance and high power density of printed flexible micro-supercapacitors |
| WO2016073171A1 (en) * | 2014-11-07 | 2016-05-12 | Bing Hsieh | Printed supercapacitors based on graphene |
| BR112017010257B8 (en) * | 2014-11-18 | 2023-10-31 | Univ California | Interlocking Porous Corrugated Carbon-Based Network (ICCN) Composite, and Method for Producing the Composite |
| GB2554367B (en) * | 2016-09-22 | 2021-02-24 | Dst Innovations Ltd | Flexible supercapacitors and manufacture thereof |
| KR101897091B1 (en) * | 2018-01-26 | 2018-09-10 | 가천대학교 산학협력단 | Flexible micro supercapacitor and method of manufacturing the same |
-
2018
- 2018-12-20 CZ CZ2018728A patent/CZ308635B6/en unknown
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113077998A (en) * | 2021-03-22 | 2021-07-06 | 西安交通大学 | Ruthenium dioxide/graphene composite electrode for supercapacitor and preparation method thereof |
| CN113077998B (en) * | 2021-03-22 | 2022-07-12 | 西安交通大学 | Ruthenium dioxide/graphene composite electrode for supercapacitor and preparation method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ308635B6 (en) | 2021-01-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Cheng et al. | Elevated‐temperature 3D printing of hybrid solid‐state electrolyte for Li‐ion batteries | |
| Shi et al. | Nanostructured conducting polymer hydrogels for energy storage applications | |
| Shi et al. | Designing hierarchically nanostructured conductive polymer gels for electrochemical energy storage and conversion | |
| Zhao et al. | 3D nanostructured conductive polymer hydrogels for high-performance electrochemical devices | |
| CN103219164B (en) | Ultra-thin, self-supporting, flexibility, all-solid-state supercapacitor and preparation method thereof | |
| Gaikwad et al. | Recent progress on printed flexible batteries: mechanical challenges, printing technologies, and future prospects | |
| JP3539570B2 (en) | Hybrid electrolyte, method for producing the electrolyte, and method for producing an electrochemical device using the electrolyte | |
| CN114551111B (en) | Ink direct-writing 3D printing conductive polymer-based micro supercapacitor and preparation method thereof | |
| Wang et al. | Integrated flexible supercapacitor based on poly (3, 4-ethylene dioxythiophene) deposited on Au/porous polypropylene film/Au | |
| Liu et al. | Evolution of cellulose into flexible conductive green electronics: A smart strategy to fabricate sustainable electrodes for supercapacitors | |
| CN102804301A (en) | Energy charge storage device using a printable polyelectrolyte as electrolyte material | |
| CN115036518B (en) | Miniature all-solid-state zinc-air battery and preparation method thereof | |
| AU2007269716A1 (en) | Energy storage devices and composite articles associated with the same | |
| US11905609B2 (en) | Self-organized and electrically conducting PEDOT polymer matrix for applications in sensors and energy generation and storage | |
| TW200825121A (en) | Polymer electrolyte, production process thereof and electrochemical device | |
| JPWO1997048106A1 (en) | Hybrid electrolyte, method for producing the electrolyte, and method for producing an electrochemical device using the electrolyte | |
| SE512579C2 (en) | Polymer gel electrode, and process for its preparation | |
| Sun et al. | A novel slicing method for thin supercapacitors | |
| Lu et al. | 3D printed dual network Cross-Linked hydrogel electrolytes for high area capacity flexible zinc ion Micro-Batteries | |
| Zhao et al. | Preparing 3D Perovskite Li0. 33La0. 557TiO3 Nanotubes Framework Via Facile Coaxial Electro‐Spinning Towards Reinforced Solid Polymer Electrolyte | |
| Hong et al. | A review of recent progress in fabrication methods and applications of polydimethylsiloxane sponge | |
| CZ2018728A3 (en) | Flexible supercapacitor and producing it | |
| CN113421778B (en) | Flexible micro super capacitor and manufacturing method thereof | |
| CN111525179A (en) | Preparation method of all-solid-state battery | |
| CN116053595A (en) | A method for the preparation of solid-state metal batteries based on dynamic supramolecular ion-conducting elastomers |