Direct patterning processes for high-performance microsupercapacitors

• The surge in miniaturized electronic components driven by the Internet of Things (IoT) has prompted an interest in non-traditional energy storage solutions. For these applications, reduction of size while preserving power and energy densities are of great importance. Within this context, planar microsupercapacitors (MSCs) have emerged as strong candidates for energy storage. Their unique two-dimensional structure, rapid charge-discharge capabilities, high power density, and enduring stability make them highly appealing as power units for on-chip integration.However, the intricate nature of MSC fabrication remains a substantial challenge. Conventionally used indirect patterning processes, such as photolithography, are limiting the implementation of novel functional nanomaterials with high charge storing capacities. As a result, other kinds of direct patterning processes can be used to fabricate state-of-the-art MSCs. Recent studies mainly focused on improving the patterning geometry, minimizing electrode dimensions and narrowing the electrode gap to maintain high resolution of MSCs. However, these efforts were made at the expense of process scalability potential and degree of complexity of the fabrication processes. This thesis aims to develop fabrication process flows with emphasis on simplicity and versatility without sacrificing the possibility for large-scale fabrication of MSCs with high-performance.The first part of this thesis describes the implementation of highly scalable inkjet printing process for fabrication of high-performance MSCs. Typically, inkjet printing can be used to deposit thin films of materials. However, to fabricate MSCs with high-performance, the thickness is a crucial parameter that requires scaling up. The contribution of the first work is dealing with overcoming printing limitations by describing a step-like fabrication process that was developed to overcome the limitations of inkjet printing to increase the thickness of the electrode material, and, therefore its electrochemical performance. The outcome graphene-based solid-state MSCs free from metallic current collector exhibit high areal capacitance of 0.1mF cm−2 and hold promise for on-chip fabrication. In the second work, a facile integration of inkjet printing with an electrodeposition technique is used to fabricate hybrid flexible MSCs based on graphene, Fe2O3, and MnO2 nanomaterials with∼90% capacitance retention after 10 000 charge-discharge cycles.In the second part of this thesis, direct laser writing process is implemented as a viable alternative to fabrication of planar MSCs, based on a variety of highly electrochemically active nanomaterials that are not compatible with inkjet printing. In the third, fourth, and fifth works binder-free ink formulation approaches were developed to fabricate composite nanomaterial films based on graphene, graphene oxide, carbon nanotubes (CNTs), and polyaniline (PANI). Efficient patterning of these films, thanks to the wide range of controls over the laser beam, was realized highlighting the simplicity of the developed fabrication processes for MSCs with high areal capacitance of 172 mF cm−2. Furthermore, it enabled the fabrication of MSCs that can operate in a wide temperature range from 25 to 250 °C.In summary, this thesis reshapes the MSC fabrication process by considering performance, scalability, and process adaptability towards novel functional nanomaterials. These proposed methods are further strengthened by innovative ink formulation strategies using these materials, highlighting their potential applicability in emergent energy storage devices.

• Ökningen av miniatyriserade elektroniska komponenter som drivs av Internet of Things (IoT) har väckt ett intresse för icke-traditionella energilagringslösningar. För dessa applikationer är det av stor betydelse att reducerad storlek inte sker på bekostnad av effekt och energitäthet. Inom detta sammanhang har plana mikrosuperkondensatorer (MSC) dykt upp som starka kandidater för energilagring. Deras unika tvådimensionella struktur, snabba laddnings- och urladdningsmöjligheter, höga effekttäthet och varaktiga stabilitet gör dem mycket tilltalande som kraftenheter för integration på chip.MSC-tillverkningens komplexa natur är dock fortfarande en stor utmaning. Konventionellt använda indirekta mönstringsprocesser, såsom fotolitografi, begränsar implementeringen av nya funktionella nanomaterial med hög kapacitet förladdningslagring. Ett resultat av det är att andra direkta mönstringsprocesser kan användas för att tillverka toppmoderna MSC:er. Nyligen genomförda studier har huvudsakligen fokuserat på att förbättra mönstringsgeometrin: minimera elektroddimensioner och minska elektrodgapet för att bibehålla hög upplösning av MSC:er. Dessa förbättringar gjordes dock på bekostnad av processens skalbarhetspotential och ökade graden av komplexitet i tillverkningsprocesserna. Denna avhandling syftar till att utveckla processflöden för tillverkning med betoning på enkelhet och mångsidighet, utan att offra möjligheten för storskalig tillverkning av MSC:er med hög prestanda.Den första delen av denna avhandling beskriver implementeringen av en mycket skalbar process för bläckstråleutskrift för tillverkning av högpresterande MSC:er. Vanligtvis används bläckstråleutskrift för att avsätta tunna filmer av material. För att tillverka högpresterande MSC:er är dock tjockleken en avgörande parameter som kräver uppskalning. Det första arbetet i denna avhandling beskriver en tillverkningsprocess som utvecklades för att överkomma begränsningarna med bläckstråleutskrift för att öka tjockleken på elektrodmaterialet och därmed dess elektrokemiska prestanda. Resultatet av grafenbaserade fasta MSC:er fria från metallisk strömavtagare uppvisar hög ytkapacitans på 0,1 mF cm−2 och har potential för tillverkning på chip. I det andra arbetet används en enkel integration av bläckstråleutskriftmed elektroplätering för att tillverka flexibla hybrid-MSC:er baserade på grafen, Fe2O3 och MnO2 nanomaterial med ∼90% bibehållen kapacitans efter 10 000 laddningscykler.I den andra delen av avhandlingen beskrivs en direkt laserskrivprocess baserad på en mängd elektrokemiskt högaktiva nanomaterial som inte är kompatibla med bläckstråleutskrift, som ett gångbart alternativ till tillverkning av plana MSC. I det tredje, fjärde och femte arbetet utvecklades metoder med bindemedelsfria bläckformulae för att tillverka sammansatta nanomaterialfilmer baserade på grafen, grafenoxid, kolnanotuber och polianilin. Effektiv mönstring av dessa filmer kunde åstadkommas med hjälp av laser, vilket lyfter fram enkelheten i de utvecklade tillverkningsprocesserna för MSC:er med hög ytkapacitans på 172 mF cm−2. Dessutom möjliggjorde tillverkningen av MSC:er som kan arbeta i ett brett temperaturområde på 25 till 250 °C.Sammanfattningsvis omformar denna avhandling MSC-tillverkningsprocessen genom att beakta MSC-prestanda, skalbarhet och anpassningsbarhet i processen mot nya funktionella nanomaterial. Dessa metoder förstärks ytterligare av innovativa bläckformuleringsstrategier som använder dessa material, vilket framhäver deras potentiella tillämpbarhet i nya energilagringsenheter.

Subject headings

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Elektroteknik och elektronik -- Annan elektroteknik och elektronik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering -- Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering (hsv//eng)

Keyword

microsupercapacitors

energy storage

solid electrolyte

direct laser patterning

inkjet printing

functional nanomaterials.

mikrosuperkondensatorer

energilagring

fast elektrolyt

direkt lasermärkning

bläckstråleutskrift

funktionella nanomaterial

Informations- och kommunikationsteknik

Information and Communication Technology

Publication and Content Type

vet (subject category)

dok (subject category)