Energ. Environ. Sci.：热敏开关型平面微型超级电容器：一种富有潜力的电子器件保护方案

【引言】

近年来，现代电子学的研究重点集中在实现电子设备的小型化、轻量化、高性能和安全性等方面。高性能电子设备总是需要快速能量消耗和/或高功率能量输送。这将导致敏感电子元件的自发热问题，因此可能对其造成热损伤并带来安全隐患，同时显著降低电子器件的寿命。例如，手机或电脑的处理器和电路板的操作温度应严格控制在80 ℃以下。人们过去常常利用百叶窗、散热片和冷却风扇等热控功能模块来防止电子器件的热失控。然而，由于空间限制、工艺复杂和成本效率等原因，以上模块并不适用于芯片式电子器件。微型超级电容器(MSCs)是一种可用于芯片式电子器件的微型供能设备，其具有超高功率密度、快速倍率性能和超长循环寿命等优点。然而，高性能的微型超级电容器通常对物理或化学刺激不敏感。因此，为了实现微型电子设备的智能热保护，设计一种具有智能热保护功能的MSCs有着重要的实际意义。

【成果简介】

近日，德国德累斯顿工业大学的冯新亮与庄晓东(共同通讯作者)在微型超级电容器领域取得新的研究进展，在国际顶级学术期刊Energy & Environmental Science上发表了题为”Thermoswitchable on-chip microsupercapacitors One potential self-protection solution for electronic devices”的研究论文。该工作提出了一种可用于芯片式电子器件，具有高温保护功能的热敏开关微型超级电容器(TS-MSC)。微型超级电容器以一种溶解了锂盐的聚合物溶胶为电解质，该电解质具备独特的热力学行为。得益于电解质离子电导率的可逆变化，TS-MSC具备较宽的工作温度区间和优异的加热/冷却循环稳定性。当温度上升到80 ℃时可以实现完全的电容断开，在冷却至室温时又完全恢复。一般情况下计算机CPU的临界工作温度为80 ℃，因此芯片式TS-MSC阵列为计算机CPU的热保护提供了新的途径。

【图文导读】

图一：热敏开关微型超级电容器的制备及机理

(a) 在硅基板和PI薄膜上制备TS-MSC的过程示意图，制备过程包括通过光刻法制作叉指状Au集流体、电沉积制备活性材料(PEDOT)层，以及滴注溶解LiCl的PNIPAAm/MC溶液作为热敏电解质；

(b) 加热冷却时热响应性电解质的可逆溶胶-凝胶转变以及叉指状电极之间的离子传输示意图。 

图二：电解质的热响应行为与电极的微观形貌

(a) 在30-80 ℃温度区间内，加热/冷却时PNIPAAm/MC体系的可逆溶胶-凝胶转变；

(b) 当入射光波长为600 nm时，PNIPAAm/MC溶液的透光率-温度变化曲线；

(c) 基于PEDOT电极材料的MSC光学显微图像，暗区对应电化学聚合PEDOT，亮区对应硅基底；

(d) 硅基板支撑Au电极与PEDOT膜的顶视图SEM图像；

(e) 硅基板支撑Au电极与PEDOT膜的横截面SEM图像；

(f) 基于PEDOT电极材料的的MSCs的截面高度分析。

图三：在30-80 ℃温度区间内，TS-MSC与C-MSC的电化学行为对比

(a) 在30-80 ℃温度区间内，TS-MSCs的CV曲线；

(b) 在30-80 ℃温度区间内，TS-MSCs的GCD曲线；

(c) 在30-80 ℃温度区间内，热响应PNIPAAm/MC/LiCl电解质的离子电导率变化曲线；

(d)-(e) 在30-80 ℃温度区间内，TS-MSC的奈奎斯特图；

(f) 在30-80 ℃温度区间内，C-MSC的奈奎斯特图。

图四：TS-MSCs的热响应行为

(a) 在30-80 ℃温度区间内，TS-MSCs的GCD曲线；

(b) 当电流密度为20 μA·cm^-2时，30-80 ℃下TS-MSCs的面电容与循环次数的关系；

(c) 在30-80 ℃温度区间内，TS-MSCs的阻抗相位角与频率的关系；

(d) 50次加热-冷却循环中，TS-MSCs的可逆面电容行为；

(e) 串联/并联两个或四个TS-MSCs单元的电路图；

(f) 当电流密度为60 μA∙cm^-2时，串联四个TS-MSCs单元的器件的GCD曲线；

(g) 室温条件下，当扫描速率为200 mV∙s^-1时，串联/并联两个或四个TS-MSCs单元的器件的CV曲线；

(h) 室温条件下，当电流密度为40 μA·cm^-2时，串联/并联两个或四个TS-MSCs单元的GCD曲线。

图五：连接在计算机CPU面板上的TS-MSC阵列的热响应行为

(a) 串联四个TS-MSCs单元的数码照片和电路图，白色虚线圈出部分表示TS-MSC单元，其他单元为C-MSC单元，红色和绿色符号分别代表器件处于开启和关闭状态；

(b) 在30-80 ℃温度区间内，当扫描速率为500 mV·s^-1时，串联四个TS-MSCs的CV曲线；

(c) 在30-80 ℃温度区间内，当电流密度为500 mV·s^-1时，串联四个TS-MSCs的GCD曲线；

(d) 并联四个TS-MSCs的数码照片和电路图；

(e) 在30-80 ℃温度区间内，当扫描速率为500 mV·s^-1时，并联四个TS-MSCs的CV曲线；

(f) 在30-80 ℃温度区间内，当扫描速率为500 mV·s^-1时，并联四个TS-MSCs的GCD曲线。

【小结】

基于LiCl/PNIPAAm/MC电解质在加热-冷却过程中的溶胶-凝胶转变行为，该工作设计了一种具有可逆热响应保护功能的热敏开关微型超级电容器(TS-MSCs)。在高温条件下，电解质的热诱导凝胶化抑制了锂离子的迁移，而在冷却状态下锂离子的自由迁移又得以恢复。由于离子电导率的可逆变化，TS-MSCs具有较宽的工作温度范围(30-80 ℃)和优异的冷热循环稳定性。通过对TS-MSCs阵列的集成，使得器件具备了高效的热响应开关能力，从而可以实现对温度敏感元件的实时保护。该工作为热响应微型功能器件的设计提供了新的思路，也为解决便携式芯片式电子设备的安全问题提供了一种可行的解决方案。

文献链接：Thermoswitchable on-chip microsupercapacitors: One potential self-protection solution for electronic devices (Energ. Environ. Sci.，2018，DOI: 10.1039/C8EE00365C)

本文由材料人编辑部李嘉欣编译，张杰审核，点我加入材料人编辑部。

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