研究人员开发出新型单片集成微型超级电容器

双电层电容(Electrical Double-Layer Capacitor)是超级电容器的一种，是一种新型储能装置。

双电层电容介于电池和电容之间，其极大的容量完全可以作为电池使用。双电层电容相比采用电化学原理的电池，其充放电过程完全没有涉及到物质的变化，所以其具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。

双电层电容其双电层的间距极小，致使耐压能力很弱，一般不会超过20V，所以其通常用作低电压直流或者是低频场合下的储能原件。

双电层电容用途广泛。用作起重装置的电力平衡电源，可提供超大电流的电力;用作车辆启动电源，启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的蓄电池;用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车;用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺利启动(尤其是在寒冷的冬季)、作为激光武器的脉冲能源。此外还可用于其他机电设备的储能能源。

莱斯大学的研究人员开发了一种固态微型超级电容器，他们称其可与可用于能量存储和输送的最佳超级电容器相媲美。该设备不是电池，而是随着技术的进步变得与电池相似。传统电容器储存能量并快速释放能量(如在相机闪光灯中)，不像普通锂离子电池需要很长时间才能根据需要充电和释放能量。

Rice 集团开发的微型超级电容器充电速度比电池快 50 倍，放电速度比传统电容器慢，并且在存储能量和输出功率方面与商用超级电容器相匹配。

绿色柔性微型超级电容器是未来可穿戴电子产品的关键，其核心技术是电容器的微电极的制作。目前使用的材料均不可生物降解，导致大量电子废弃物产生，且制作工艺复杂，成本高昂。由于叶子由生物矿物质组成，可分解成无机晶体，所以成为理想的3D介孔少层石墨烯固定材料。联合研究团队使用飞秒激光脉冲在不同类型的叶子上光刻出分层多孔石墨烯的电路，成功研制出高导微电极。运用该微电极的微型超级电容器具有较低的薄层电阻和出色的电容保持率。

具有高系统性能、优异的电池数密度、可调电容和输出电压的微型电化学储能系统有望用于小型化电子产品。

由中国科学院大连化学物理研究所吴中帅研究员、路遥研究员领衔，深圳先进技术研究院程惠明研究员课题组合作的联合研究团队，中国科学院金属研究所开发了具有超高系统体积性能和面输出电压的单片集成微型超级电容器。

该研究于 11 月 26 日发表在《国家科学评论》上。

片上交叉指状微型超级电容器 (MSC)，没有隔板和外部金属连接线，同时具有可靠的电化学性能和可调连接，可以提高单片集成 MSC (MIMSC) 的电池数量密度和系统性能，并在有限的范围内实现理想的可定制性空间。

然而，大规模生产具有高系统性能、卓越的细胞数密度和可调性能的全功能紧凑型 MIMSCs 仍然具有挑战性。这是由于难以将电解质精确沉积在密集堆积的 MSC 上以进行电化学隔离，在复杂的微加工过程中会牺牲电化学性能，以及大规模阵列中众多单个电池之间的性能均匀性有限。

在这项研究中，研究人员开发了一种通用且大通量的微细加工策略，通过结合多步光刻图案化、MXene 微电极的喷涂印刷和凝胶电解质的可控三维 (3D) 打印来解决上述问题。

他们通过利用用于微电极沉积的高分辨率微图案化技术和用于精确电解质沉积的 3D 打印技术，制造了电化学隔离微型超级电容器的整体集成。

他们获得的 MIMSCs 具有 28 个细胞 cm -2的高面数密度(400 个细胞在 3.5×4.1 cm 2上)，创纪录的面积输出电压为 75.6 V cm -2，可接受的全身体积能量密度为 9.8 mWh cm -图3以及在 162 V 输出电压下 4,000 次循环后的 92%的高电容保持率。

吴教授说：“这项工作为为未来微电子提供动力的单片集成和微型储能组件铺平了道路。”