相比传统电容器和其他微型电容器优势在哪里

随着物联网、可穿戴设备和自供能传感器网络的快速发展，对微型储能器件提出了迫切需求——这些器件需在有限空间内提供可靠、持续且高性能的电能供应。在众多解决方案中，片上微型超级电容器(MSCs)因其优异的功率密度、超快充放电能力和超长循环寿命备受关注，尤其适合作为分布式传感器、柔性可穿戴设备和小型化计算节点的嵌入式电源模块。然而，MSCs较低的能量密度严重制约了其实际应用。根据能量密度公式E=0.5CMSCV2，提升能量密度需同时优化电极材料本征电容(C)和工作电压窗口(V)。对称式MSCs受限于单一材料的氧化还原特性，电压窗口较窄;非对称MSCs虽可通过互补电极材料拓宽电压窗口，但面临制备工艺复杂、材料兼容性差和成本高等问题。

提出通过调控MnO2中非晶格氧(吸附氧和结晶水)的浓度，引入额外氧化还原活性位点，显著提升电极的电荷存储能力和能量密度;通过EQCM技术揭示了MnO2在碱性电解液中的多步反应机制;该研究为设计兼具高能量密度、柔性和可扩展性的微型储能器件提供了新范式，适用于物联网、可穿戴设备等下一代微电子技术。在过去的十年中，人们对超级电容器的小型化及其在芯片或柔性基板上的集成产生了浓厚的兴趣。作为嵌入式微系统的储能微器件，虽然还没有明确的命名法，但是“微型超级电容器”一词，与“微电池”类似，已被广泛采用。[1,2]

作为电化学能量存储装置，小型化超级电容器的基本结构包括由离子导体电解质隔开的正极和负极。然而由于实际应用需要使用无泄漏装置，现在设计时优先使用固态或凝胶型电解质。尽管这些凝胶型电解质的离子传导率与液体电解质(1-100 mS/cm)相当，但它们仍然存在一些缺点，例如溶剂蒸发(会大大降低离子传导率)，溶剂和聚合物在100°C以上的热稳定性差。微电容器可使用与超级电容器相同的材料，与传统的电极材料相比，它的使用并没有想象中的复杂，其成本主要由微制造工艺决定。MLCC：电子世界中的微型能量存储器 MLCC，也就是多层陶瓷电容器，是电子设备中不可或缺的一部分。

这种电容器以其独特的多层结构和独石电容的特点，成为了电子整机中的主要被动贴片元件之一。MLCC的诞生可以追溯到上世纪60年代，当时美国公司率先研发成功。随后，日本公司如村田(Murata)、TDK和太阳诱电等迅速发展和产业化，至今在全球MLCC领域保持领先地位。MLCC以其高可靠性、高精度、高集成度、高频率、智能化、低功耗、大容量、小型化和低成本等特点，成为了通讯器材、计算机板卡和家电遥控器等设备中的常用元件。随着表面贴装技术(SMT)的快速发展，MLCC的用量也在不断增加。每部移动电话中就可能使用多达200个MLCC。

MLCC以其大容量、小体积和易于片式化的特点，成为了电子设备中的关键元件。2002年，全球MLCC的产量达到了4000亿只，最小尺寸甚至达到了0402和0201。这些小小的电容器在电子设备中发挥着巨大的作用，为我们的日常生活提供了便利。有孔电容器是一种新型微型电容器，可以通过在一块介电体上打上成千上万个微孔来实现极高的电容密度。这种电容器具有较高的工作频率和可靠性，并且能够有效地提高集成电路和数据存储介质中的容量和速度。有孔电容器在数据存储、集成电路等领域都具有广阔的应用前景。例如，在数据存储介质中使用有孔电容器可以大幅扩大存储容量，同时提高读写速度;在集成电路中使用有孔电容器可以提高电路的性能和功率密度。有孔电容器的工作原理和传统电容器相似，但是其内部结构具有微孔。这些微孔可以将电流流过集中在小面积中，从而实现高电容密度。同时，介电体中的微孔也可以提高电容器的工作频率和可靠性。

相比传统电容器和其他微型电容器，有孔电容器具有以下优势：

1. 高电容密度：有孔电容器能够实现极高的电容密度，因为它们利用了微孔的电容性质。

2. 高工作频率：由于微孔的存在，有孔电容器能够实现更高的工作频率，这在某些应用场景下非常重要。

3. 可靠性：由于其结构紧凑，有孔电容器在高温、高压等环境下具有更好的可靠性。

超级电容器的优点众多。首先，其充放电速度极快，能够在短短数秒甚至数毫秒内完成充电和放电过程，这使得它在需要快速能量响应的领域，如电动汽车的启动和加速、电子设备的瞬间供电等方面具有无可比拟的优势。其次，超级电容器具有极高的功率密度，能够在短时间内释放出巨大的能量，为高功率设备提供强大的动力支持。再者，它的循环寿命长，通常可以经受数十万次甚至上百万次的充放电循环，大大降低了使用成本和维护难度。此外，超级电容器还具有良好的低温性能和可靠性，能够在极端环境下稳定工作。

在实际应用中，超级电容器已经展现出了广泛的用途。在交通运输领域，超级电容器与电池组成的混合动力系统，可以提高电动汽车的性能和续航里程。在城市公交系统中，超级电容器驱动的公交车能够实现快速充电和频繁启停，减少能源消耗和尾气排放。在可再生能源领域，超级电容器可以有效地平滑风能和太阳能等可再生能源的输出波动，提高电网的稳定性和可靠性。在工业领域，超级电容器被用于智能电表、起重机、电梯等设备，提高设备的运行效率和可靠性。

然而，超级电容器也并非完美无缺。目前，其能量密度相对较低，与电池相比，在相同体积或重量下能够储存的能量有限。这在一定程度上限制了它在一些对能量存储要求较高的领域的应用。此外，超级电容器的成本相对较高，也制约了其大规模普及。为了克服这些挑战，科研人员们正在不断努力进行技术创新和改进。一方面，他们致力于开发新型的电极材料和电解液，以提高超级电容器的能量密度;另一方面，通过优化器件结构和制造工艺，降低生产成本。随着研究的不断深入，相信超级电容器在未来的能源存储领域将发挥更加重要的作用。

电流电容器通常使用基于金属氧化物的电极，但它们受到电子迁移率差的限制。因此，Misra和她的团队决定建造由交替的几个原子厚的二硫化钼层(MoS)组成的混合FET。2)和石墨烯 - 增加电子迁移率 - 然后连接到金触点。在两个FET电极之间使用固体凝胶电解质来构建固态超级电容器。整个结构建立在二氧化硅/硅基座上。

“设计是关键部分，因为您要集成两个系统，”Misra说。这两个系统是两个FET电极和凝胶电解质，一种离子介质，它们具有不同的充电容量。IAP的博士生，主要作者之一Vinod Panwar补充说，制造设备以获得晶体管的所有理想特性具有挑战性。由于这些超级电容器非常小，没有显微镜就无法看到它们，并且制造过程需要高精度和手眼协调。

一旦超级电容器被制造出来，研究人员就通过施加各种电压来测量设备的电化学电容或电荷保持能力。他们发现，在某些条件下，电容增加了3000%。相比之下，仅包含MoS的电容器2在没有石墨烯的情况下，在相同条件下电容仅提高了18%。

未来，研究人员正计划探索是否取代MoS。2与其他材料可以进一步增加其超级电容器的电容。他们补充说，他们的超级电容器功能齐全，可以通过片上集成部署在电动汽车电池等储能设备或任何小型化系统中。他们还计划申请超级电容器的专利。