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热敏性微型超级电容器作为电子器件自身可逆热保护的一种潜在策略

【引言】

近些年来,电子器件的发展越来越关注于小型化、轻质化、高性能以及安全操作,然而,高性能一般伴随着快的能量和功率输出,这就导致大量的热聚集,从而引起对热敏性电子元器件的热损坏甚至是安全危害,并且高温下运行会降低器件的使用寿命以及有漏电的危险。虽然以前对防止热逃逸也有一些报道,例如安装散热窗、散热管以及风扇,但是这些办法对于微型电子器件来说并不适用,因为空间极其有限,并且需要考虑工艺的复杂程度以及成本。所以通过对微型电子器件本身的电子元器件进行合理设计来取得自身温控是极具意义的。微型超级电容器(MSCs)由于其具有小尺寸、可控的形状、电化学性能卓越等优点,已成为新一代的微型能量存储器件。受多功能智能设备的启发,赋予MSCs可逆的热敏性是实现微型电子器件可逆热保护的有效策略。

【成果简介】

最近,德国德累斯顿工业大学的冯新亮教授课题组利用智能电解液制备出一种新型的热敏性MSCs(TS-MSCs),受益于电解液离子电导率的可逆变化,制备的TS-MSCs可以在80度完全不工作而冷却到室温后又恢复运行,并且展现出优异的可逆循环性。最后鉴于与电脑CPU的极限工作温度吻合,也验证了对CPU进行热保护的可能性。该文章发表在国际顶级期刊Energy & Environmental Science上(影响因子:29.518)。

图文导读

热敏性微型超级电容器作为电子器件自身可逆热保护的一种潜在策略

图1. TS-MSC的设计以及制备流程。(a)器件制备的流程图,包括光刻叉指电极、电沉积活性材料以及滴涂热敏性电解液(LiCl溶于的PNIPAAm/MC水溶液),(b)图解热敏性电解液的溶液-凝胶可逆转变行为以及在加热和冷却状况下电极之间的离子迁移。

热敏性微型超级电容器作为电子器件自身可逆热保护的一种潜在策略

图2.TS-MSC的电解液、电极以及结构表征。(a)PNIPAAm/MC水溶液在30-80度之间加热以及冷却的溶液-凝胶可逆转变的光学图像,(b)PNIPAAm/MC水溶液在600 nm波长下对温度的透光率曲线,(c)PEDOT-MSC的光学显微镜照片,金叉指电极的宽度为200 µm以及间距为50 µm,(d)电沉积PEDOT的SEM图像,(e)硅片基底上金叉指电极以及PEDOT的SEM截面图,(f)相应的截面分析曲线。

热敏性微型超级电容器作为电子器件自身可逆热保护的一种潜在策略

 图3.TS-MSC和C-MSC的电化学性能比较。TS-MSC在30-80度温度区间的(a)CV曲线和(b)GCD,(c)热敏性PNIPAAm/MC/LiCl电解液的离子电导率随温度从30度升高到80度的变化曲线,(d,e)TS-MSC和(f)C-MSC在升温从30度至80度的阻抗图谱。

热敏性微型超级电容器作为电子器件自身可逆热保护的一种潜在策略

图4.TS-MSC的热敏性行为研究。(a)30-80度不同温度下的GCD曲线,(b)在20 µA/cm^2下不同温度的面积电容量,(c)不同温度下的阻抗相图,(d)50次加热-冷却循环下的可逆面积电容量行为,(e)4个TS-MSCs串并联电路图,(f)4个TS-MSCs串联在60 µA/cm^2下的GCD曲线,室温下2个和4个TS-MSCs串并联在200 mV/s下的CV曲线(g)和在40 µA/cm^2下的GCD曲线(h)。

热敏性微型超级电容器作为电子器件自身可逆热保护的一种潜在策略

图5.TS-MSCs阵列放置在电脑CPU面板上,处于不同工作状况下的热敏性行为。4个TS-MSCs串联(a)和并联(d)的光学照片以及电路图,白色虚线内的是TS-MSCs,其余的是C-MSCs,红色和绿色模型分别代表switch-on和switch-off状态,4个TS-MSCs串联在30-80度(b)500 mV/s扫速下的CV曲线和(c)40 µA/cm^2下的GCD曲线,4个TS-MSCs并联在30-80度(e)500 mV/s扫速下的CV曲线和(f)40 µA/cm^2下的GCD曲线。

该课题组通过电解液的溶液-凝胶转变行为设计出具有可逆热敏性自保护功能的TS-MSC。此种接枝共聚物在热诱导凝胶状态下可以阻碍Li+的自由迁移,而在冷却溶剂化状态下又恢复如常,故而所制备的TS-MSCs显示出宽的温度响应范围以及完全switch-off的能力,并且具备良好的可逆循环性能,这给热敏性电子元器件的热保护提供了一种潜在的解决方案。TS-MSCs可以作为微型能源存储器件,串并联进电子器件,从而实现对对集成系统的自我热保护,这也为其他的热敏性微型能源器件提供了设计思路,更拓展了其在智能便携式器件领域的应用。

Panpan Zhang, Jinhui Wang, Wenbo Sheng, Faxing Wang, JianZhang, Feng Zhu, Xiaodong Zhuang, Rainer Jordan, Oliver G. Schmidt, Xinliang Feng, Thermoswitchable on-chip microsupercapacitors: One potentialself-protection solution for electronic devices, Energy & EnvironmentalScience, 2018, DOI: 10.1039/C8EE00365C.

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