CZ33272U1 - Flexibilní superkondenzátor - Google Patents

Flexibilní superkondenzátor Download PDF

Info

Publication number
CZ33272U1
CZ33272U1 CZ2018-35775U CZ201835775U CZ33272U1 CZ 33272 U1 CZ33272 U1 CZ 33272U1 CZ 201835775 U CZ201835775 U CZ 201835775U CZ 33272 U1 CZ33272 U1 CZ 33272U1
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
flexible
supercapacitor
printing
thickness
pedot
Prior art date
Application number
CZ2018-35775U
Other languages
English (en)
Inventor
Tatiana Babkova
Robert Moučka
Natalia Kazantseva
Fei Haojie
Jarmila Vilčáková
Pavel Urbánek
Original Assignee
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně filed Critical Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
Priority to CZ2018-35775U priority Critical patent/CZ33272U1/cs
Publication of CZ33272U1 publication Critical patent/CZ33272U1/cs

Links

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
    • 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
    • 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
    • H01G11/48—Conductive polymers
    • 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
    • H01G11/54—Electrolytes
    • 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
    • H01G11/54—Electrolytes
    • H01G11/56—Solid electrolytes, e.g. gels; Additives therein
    • 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)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inks, Pencil-Leads, Or Crayons (AREA)

Description

Technické řešení se týká flexibilního superkondenzátoru. Řešení je určeno primárně pro mikroaplikace vyžadující vedle vysoké kapacity i dobrou ohebnost, například u mikrosenzorů a biomedicínských implantátů.
Dosavadní stav techniky
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.
Tato elektrická zařízení nacházejí uplatnění jako mikrosenzory, mikrobaterie, biomedicínské implantáty a mikrosystémy pro získávání energie.
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.
Obecně adaptací ink-tisku pro sériovou výrobu se zabývá např. CN 107053840 (A). Konkrétněji zaměřený, a to na tisk superkondenzátoru, je dokument CN 108122685 (A), kde je popsána výroba vrstveného superkondenzátoru. Nicméně dané konstrukční řešení superkondenzátoru neumožňuje dosažení dostatečné flexibility finálního zařízení.
Elektrodové materiály v tisknutelné elektronice obecně a zejména pak v superkondenzátorech jsou vyrobeny na bázi grafenu (US 2014334065 (A), US 8810996) Nevýhodou technického řešení US 8810996 je oblast poměrně vysokých teplot (140 až 800 °C) potřebných pro tisk (cca 70 °C). Další známé řešení využívá vodivých polymerů (N. Peřinka. Study offunctional systems on base of electrically conducting polymer layers, disertace, Pardubice, 2014). Tyto elektrodové materiály naopak vykazují nízkou kapacitu a flexibilitu.
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.
Jednou složkou směsi je surfaktant - polystyrensulfonát sodný (PSS), který je sulfonovaný polystyren. Část sulfonylových skupin je deprotonována a má negativní náboj.
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 polymemích elektrolytických kondenzátorech.
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.
- 1 CZ 33272 U1
Podstata technického řešení
Uvedené nevýhody a nedostatky dosud známých výrobků tištěné elektroniky a mikroelektroniky do značné míry odstraňuje flexibilní superkondenzátor podle technického řešení. Podstata technického řešení 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 (PEDOT:PSS), dále 0,1 až 10 % hmota, grafenoxidu (GO), dále 10 až 50 % hmotn. RuCE; na tomto potisku elektrod 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.
Flexibilní superkondenzátor podle technického řešení má s výhodou polymemí gelový elektrolyt na bázi polyvinylalkohol/FFSCE nebo póly vinylalkohol/I I3PO4.
Ochranná vrstva flexibilního supcrkondcnzátoru podle technického řešení je s výhodou na bázi látky ze skupiny obsahující polydimetylsiloxan, polyetylentereftalát, polyimid.
Základem flexibilních superkondenzátorů podle technického řešení je vrstva PEDOT:PSS/GO/RuO2 která má vysokou životnost a velmi dobrou elektrochemickou charakteristiku. Flexibilní superkondenzátory na této bázi byly stabilní po 1000 nabijecích/vybíjecích cyklech a vykazovaly elektrickou kapacitu v rozmezí od 5 do 40 mF cm 2 dle poměru složek inkoustu. Další důležitou předností flexibilních superkondenzátorů podle technického řešení je jejich ohebnost, která je předurčuje pro užití v náročných aplikacích, například u mikrosenzorů a biomedicínských implantátů. Výhodná je i symetrická konstrukce superkondenzátorů podle technického řešení, kdy katoda i anoda jsou vyrobeny ze stejného materiálu.
Vedle vysoké úrovně užitných vlastností je výhodou způsobu výroby flexibilních superkondenzátorů podle technického řešení možnost využití aktuální metody inkjet-tisku k efektivnímu vytvoření tenké vodivé vrstvy elektrod na ohebném substrátu.
Objasnění výkresů
- obr. 1 - schéma flexibilního superkondenzátorů;
- obr. 2 - znázornění konstrukce flexibilního supcrkondcnzátoru v řezu;
- obr. 3 - CV- křivky supcrkondcnzátoru (zařízení 1) při skenovací rychlosti:
1- 5 mV/s, 2- 10 mV/s, 3- 20 mV/s, 4- 50 mV/s, 5- 100 mV/s, 6- 200 mV/s;
- obr. 4 - graf galvanostatického nabijení/vybíjení (zařízení 1) při proudové hustotě:
1- 0,2 mA/cm2, 2- 0,15 mA/cm2, 3- 0,1 mA/cm2, 4- 0,08 mA/cm2, 5- 0,05 mA/cm2;
- obr. 5 - CV křivky supcrkondcnzátoru (zařízení 2) při skenovací rychlosti:
1- 5 mV/s, 2- 10 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:
1- 0,2 mA/cm2, 2- 0,15 mA/cm2, 3- 0,1 mA/cm2, 4- 0,08 mA/cm2, 5- 0,05 mA/ cm2;
- obr. 7 - povrchová kapacita stanovená pro všechna zařízení;
-2CZ 33272 U1
- obr. 8 - výkon zařízení při cyklickém zatěžování (při 0,1 mA/cm2)
- obr. 9 - závislost proudu na napětí před a po ohybovém testu (poloměr ohybu 3 mm);
- obr. 10 - výkon zařízení při cyklickém zatěžování (při 0,1 mA/cm2) kombinovaném s ohybovým testem (vždy po 50 cyklech).
Příklady uskutečnění technického řešení
Složeni inkoustu pro potisk elektrod
Tenký vodivý potisk (2) elektrod na bázi PEDOT:PSS matrice interkalované grafenoxidem (GO) a částicemi RuO2 byl připraven na ohebném polymemím substrátu (1) inkjet tiskem.
K tomuto účelu byl připraven vodorozpustný inkoust ultrazvukovým mícháním směsi s DMSO (aprotické polární rozpouštědlo) nebo Surfonylem (surfaktant) a vytvořením disperze složek: PEDOT: PSS, GO a oxid ruthenia.
Inkoust pro potisk (2) elektrod představuje disperzi založenou na vodivém polymeru, a to poly-3,4 etylendioxidthiofenu (PEDOT) smíchaného kvůli lepší chemické stabilitě se surfaktantem (PSS) do výsledné disperze PEDOT:PSS, grafen oxidu (GO) a RuO2. Jeho příprava byla následující:
K vodnému roztoku (1,3 hm. %) PEDOT:PSS byla přidána disperze GO (c = 1 mg/ml) a jako rozpouštědlo dimetylsulfoxid (DMSO) a disperze (c = 1,3 mg/ml) RuO2.
Koloidní disperze GO a disperze nanočástic RuO2 byly smíchány s roztokem PEDOT: PSS DMSO disperze. Takto připravené disperze byly dalším mícháním zpracovány do konečné disperze vhodné pro inkjet tisk.
Tab. 1. Poměr (hmotnostní) mezi složkami pro pět různých kompozic inkoustu.
Složka PEDOT:PSS GO RuO2
kompozice 1 90 1 9
kompozice 2 80 1 19
kompozice 3 70 1 29
kompozice 4 60 1 39
kompozice 5 50 1 49
Připrava/opracovánipolymerniho substrátu
Výsledný potisk (2) elektrod byl nanesen na flexibilním polymemím substrátu (1), a sice polyetylentereftalátu (PET), který byl předem aktivován v mikrovlnném plazma reaktoru.
Tvorba tenkého vodivého potisku elektrod
Před vlastním tiskem byla na polymemí substrát (1) naprášena tenká vrstva Au (případně Pd) viz obr. 1 a 2, mezi vrstvami (1) a (2), sloužící jako sběrač proudu. Tvorba tenkého vodivého potisku (2) elektrod proběhla chemickou reakcí mezi složkami inkoustu. Inkjet-tisk byl realizován na komerčně dostupné inkoustové tiskárně Dimatix materials printer, DMP2830.
Výše popsaná vícesložková disperze byla vytištěna na předem aktivovaný polymemí substrát (1) s naprášenou tenkou vrstvou (Au) elektrod.
Příprava polymerniho gelového elektrolytu
Polymemí gelový elektrolyt (3) na bázi polyvinylalkoholu (PVA) a H2SO4 byl aplikován na potisk (2) elektrod v kapalné fázi a vrstva elektrolytu se nechala vyschnout tak, aby fáze výsledného výrobku (superkondenzátor) byla pevná.
Uzavření ochrannou vrstvou
Superkondenzátor s vrstvou polymerniho gelového elektrolytu (3) byl uzavřen/přikryt ochrannou vrstvou (4) na bázi polydimetylsiloxanu, čímž byl výsledný výrobek (superkondenzátor) hotov. Výsledkem popsaných kroků byl flexibilní superkondenzátor s tenkým vodivým potiskem (2) elektrod (= vrstva PEDOT: PSS / GO / RuO2) s tloušťkou v rozmezí 5 až 10 mikronů a definovanou geometrií elektrod danou inkjet tiskem.
Test flexibility (ohybový)
Po ohybových zkouškách (poloměr ohybu 2,0 až 0,5 cm) superkondezátoru nebyla pozorována žádná významnější změna v naměřených závislostech proud-napětí.
Příklad 1
Zařízení č. 1 - superkondenzátor o složení tenkého vodivého potisku (2) elektrod (inkoustu) viz Tab. 1, kompozice 2.
Uspořádání a naměřené závislosti viz obr. 1 až 4, 7 až 10.
Příklad 2
Výše uvedené kroky byly realizovány při výrobě zařízení č. 2 - superkondenzátor o složení tenkého vodivého potisku (2) elektrod (inkoustu) viz Tab. 1, kompozice 4.
Uspořádání a naměřené závislosti zachycují obr. 1 a 2, 5 až 10.
Průmyslová využitelnost
Flexibilní superkondenzátor podle technického řešení je určen primárně k využití pro mikroaplikace 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.
NÁROKY NA OCHRANU

Claims (3)

1. Flexibilní superkondenzátor, vyznačující se tím, že je vytvořen na ohebném polymemím substrátu (1) tloušťky 0,025 až 0,1 mm na bázi polyetylentereftalátu s plazmovou úpravou povrchu, na němž je nanesen tenký vodivý potisk (2) elektrod v tloušťce 0,5 až 10 pm o složení: 40 až 80 % hmota, směsi ionomerů poly(3,4-ethylenedioxythiophen):polystyren sulfonát (PEDOT:PSS), dále 0,1 až 10 % hmota, grafenoxidu, dále 10 až 50 % hmota. RuCE, na tomto potisku (2) elektrod je nanesen polymemí gelový elektrolyt (3) v tloušťce 0,1 až 0,3 mm a na něm je umístěna ochranná vrstva (4) v tloušťce 0,1 až 0,3 mm.
-4CZ 33272 U1
2. Flexibilní superkondenzátor, podle nároku 1, vyznačující se tím, že polymemí gelový elektrolyt (3) je na bázi polyvinylalkohol/HzSCh nebo polyvinylalkohol/I hPth.
5 3. Flexibilní superkondenzátor, podle nároku 1, vyznačující se tím, že ochranná vrstva (4) je na bázi látky ze skupiny obsahující polydimetylsiloxan, polyetylen-tereftalát, polyimid.
CZ2018-35775U 2018-12-20 2018-12-20 Flexibilní superkondenzátor CZ33272U1 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2018-35775U CZ33272U1 (cs) 2018-12-20 2018-12-20 Flexibilní superkondenzátor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2018-35775U CZ33272U1 (cs) 2018-12-20 2018-12-20 Flexibilní superkondenzátor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ33272U1 true CZ33272U1 (cs) 2019-10-07

Family

ID=68164638

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2018-35775U CZ33272U1 (cs) 2018-12-20 2018-12-20 Flexibilní superkondenzátor

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ33272U1 (cs)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Boeva et al. Polyaniline: Synthesis, properties, and application
US9754727B2 (en) Energy charge storage device using a printable polyelectrolyte as electrolyte material
JP3983731B2 (ja) 導電性高分子ゲル及びその製造方法、アクチュエータ、イオン導入用パッチラベル並びに生体電極
EP2635633B1 (en) Pedot dispersions in organic solvents
KR100968107B1 (ko) 도전성 고분자 겔 및 그 제조 방법, 액추에이터, 이온도입용 패치 라벨, 생체 전극, 토너, 도전 기능 부재, 대전방지 시트, 인쇄 회로 부재, 도전성 페이스트, 연료전지용 전극, 및 연료 전지
CN114551111B (zh) 一种墨水直写3d打印导电聚合物基微型超级电容器及其制备方法
Wang et al. Integrated flexible supercapacitor based on poly (3, 4-ethylene dioxythiophene) deposited on Au/porous polypropylene film/Au
US20200299466A1 (en) Pure conducting polymer hydrogel and hydrogel precursor materials having extraordinary electrical, mechanical and swelling properties and methods of making
AU2007269716A1 (en) Energy storage devices and composite articles associated with the same
Higgins et al. Grafting and electrochemical characterisation of poly-(3, 4-ethylenedioxythiophene) films, on Nafion and on radiation-grafted polystyrenesulfonate–polyvinylidene fluoride composite surfaces
US20050212094A1 (en) Conducting polymer composite and solid electrolytic capacitor using the same
SE512579C2 (sv) Polymer gel-elektrod, samt förfarande för dess framställning
US20250206950A1 (en) Autonomous self-healing, transparent, electrically conducting elastomer and method of making the same
US10614928B2 (en) Biodegradable flexible lightweight energy storage composite and methods of making the same
US20250206897A1 (en) Autonomous self-healing, transparent, electrically conducting elastomer and method of making the same
Jo et al. 3D-printed origami electronics using percolative conductors
Madhushani et al. Conducting polymers for electrochemical energy storage applications
Asada et al. Liquid metal–ionic liquid composite gels for soft, mixed electronic–ionic conductors
Willfahrt Screen printing technology for energy devices
Alarifi et al. Conducting polymer membranes and their applications
CZ2018728A3 (cs) Flexibilní superkondenzátor a způsob jeho výroby
An et al. Electromechanical properties and structure of stretchable and highly conductive polymer hydrogels
Lee et al. Self‐Attachable and Conductive Hydrogel Adhesive Patch
Kim et al. Facile fabrication of polyaniline films with hierarchical porous networks for enhanced electrochemical activity
CN1799108B (zh) 用于制备导电聚合物的延迟氧化剂

Legal Events

Date Code Title Description
FG1K Utility model registered

Effective date: 20191007

ND1K First or second extension of term of utility model

Effective date: 20221212

MK1K Utility model expired

Effective date: 20251220