综述：专为可穿戴设备和物联网应用设计的3D微超级电容器，实现高效的能量转换与管理

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：3D architected Micro-supercapacitors for efficient energy conversion and management in wearable and IoT applications

微型超级电容器（MSCs）需兼顾高能量密度（>1 mWh cm-2）与高功率密度（>10 mW cm-2），传统2D结构难以满足。研究提出通过3D纳米多孔电极设计提升能量密度，结合碳基材料、金属氧化物及导电聚合物实现高比表面积与离子传输效率，同时优化制造工艺以实现商业化应用。

　　

莎莉妮·萨哈尼（Shalini Sahani）|考斯图布·昌德拉坎特·凯尔（Kaustubh Chandrakant Khaire）|约格什·钱德拉·夏尔马（Yogesh Chandra Sharma）|孙秀汉（Sung Soo Han）

韩国庆北道庆山市大鹤路280号，延南大学化学工程学院，邮编38541

摘要

可穿戴设备和其他物联网（IoT）应用中微型储能器件（MESDs）的快速发展极大地推动了人们对高性能片上微超级电容器（MSCs）的追求，这些微超级电容器能够同时提供高能量密度和高功率密度。目前，片上2D MSCs已经实现了高面积功率密度（>10 mW cm^?2）和长寿命（≥100 k次循环），但其面积能量密度（<1 mWh cm^?2）仍然有限。为了为智能设备提供更长时间的快速能量支持，需要达到理想的能量密度值（即1毫瓦时/平方厘米），同时不牺牲功率密度（0.1–1 W cm^?2）。因此，为了提高片上MSCs在实际设备中的性能，研究可以从四个方面入手：首先是材料开发；其次是微电极的设计与结构优化；第三是使用稳定且兼容的电解质；第四是在有限的空间内进行设备设计。在材料方面，优化伪电容输入可以在不牺牲功率密度的情况下实现所需的高能量密度。接下来，微电极的3D纳米结构化技术可以在较小的空间内实现较高的质量装载。在本文中，我们重点介绍了微电极的3D纳米多孔结构，这种结构具有较高的面积容量、更快的离子传输速度和更高的能量密度。这种3D纳米多孔微电极集成在理想的片上MSC设备中，可以成为智能应用的理想电源，从而替代需要长时间电力支持的微型电池。

引言

微超级电容器（MSCs）是一种微型储能器件（MESDs），旨在提供快速的充放电循环、高功率密度和延长的循环寿命，使其非常适合集成到微电子、可穿戴设备和物联网（IoT）应用中[1]。与传统超级电容器不同，MSCs具有更小的尺寸，并采用了先进的微制造技术，通常包含石墨烯、碳纳米管或金属氧化物等材料[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。MSCs的商业应用主要受设备级性能指标、材料成本和制造工艺可扩展性的影响。面积能量密度（E_d）（mWh cm^?2）和体积能量密度（E_d）（mWh cm^?3）尤为重要，因为它们决定了在有限的空间和厚度内可以存储的能量量，这是片上、可穿戴和便携式电子设备的关键要求。此外，自放电行为显著影响MSCs的长期能量保持能力和运行效率，尤其是在设备长时间处于空闲状态或间歇性使用电源的情况下。由于离子和电子传输速度更快，MSCs可以提供比传统电池更高的功率密度（P_d），使其适用于需要快速能量释放的应用[7]、[8]。然而，MSCs的能量密度（E_d）低于微型电池，这限制了它们在长期储能中的应用，而无法作为长期电源[9]。此外，过度的自放电会导致能量迅速流失，从而限制了其实际使用性，尽管初始电容很高。因此，在保持低成本和可扩展制造的同时，实现E_d、功率能力、循环稳定性和低自放电之间的平衡优化仍然是MSCs商业化的核心挑战[10]。通过适当设计微电极材料，可以弥补这一不足，从而获得平衡的E_d和P_d。根据设备配置，MSCs有三种形式：纤维状、平面型和3D结构[11]。平面型或片上MSCs[12]非常适合集成到微电子、可穿戴设备和物联网应用中[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。根据微电极的制造方式，片上MSCs主要有三种类型：夹层型、薄膜型和3D结构型MSCs[7]，如图1所示。传统的平面或2D微电极无法在紧凑的空间内提供理想的能量和功率密度，这严重限制了其在MSCs中的应用[21]、[22]。

相比之下，夹层型MSCs中活性材料的密集堆叠会导致活性物质渗透性差，从而降低面积能量密度（E_d）。因此，3D微电极架构的需求源于传统平面设计的局限性。通过增加表面积和引入更高效的离子扩散路径，3D结构使MSCs能够存储更多电荷并更快地释放电荷，这对于需要快速充放电循环的应用（如可穿戴电子设备、物联网设备和医疗植入物）至关重要[23]、[24]、[25]。

在3D结构中，主要使用碳基纳米材料、金属氧化物或导电聚合物等活性材料。这最大化了单位体积的电荷存储容量，解决了传统平面设计的E_d限制[26]、[27]、[28]。3D微电极设计可以提高机械稳定性，减少长期循环过程中的电极退化。这延长了MSCs的循环寿命，对于高频充放电应用来说是一个关键优势。通过在有限的空间内垂直堆叠或集成3D结构，MSCs可以在有限的空间内存储更多能量，使其非常适合空间受限的微电子设备。定制3D设计结构（如多孔支架、纳米线阵列或交错设计）可以满足特定的性能目标——最大化能量存储、提高功率输出或优化耐用性。这篇综述强调了超级电容器中3D多孔微电极设计的必要性，并旨在解决几个关键问题，包括3D架构在推进超级电容器技术中的重要性和影响，以及识别挑战和未来的研究方向。

3D架构MSC设计的基础

3D架构MSC的发展代表了微型电化学储能技术的一项关键进步，能够在紧凑的设备空间内实现高功率密度（P_d）、快速的充放电动态和机械韧性。其性能取决于材料选择、微架构工程、制造策略和电化学优化的精心整合。以下基本原则概述了高性能3D MSC的核心设计理念。

先进的3D电极架构

微电极设计中常用的3D结构，包括3D密集结构和多孔结构、3D纳米结构网络、3D分层结构以及3D打印和架构化结构，在提高MSCs性能方面发挥着重要作用，通过增加表面积、促进离子传输和提供更多的电荷存储活性位点[50]、[71]、[72]、[73]、[74]、[75]。这些结构结合了多种孔隙率和复杂的架构，显著提高了能量密度（E_d）

MSCs的应用与集成

使用MSCs进行片上能量存储是一个快速发展的研究领域，旨在直接在半导体芯片上提供高效、可扩展和高性能的能量存储。MSCs提供的功率密度（P_d）远高于传统电池，能够实现快速能量释放[95]、[96]。这在需要即时电力进行数据传输、处理和快速传感器响应的片上应用中尤其有益[97]。随着电子设备的微型化、传感器的发展

挑战与未来展望

在制造尖端材料和设备（如3D多孔电极MSCs）的过程中存在许多障碍[66]。这些困难包括对经济环保的制造要求以及纳米结构组装的精度问题[109]。本文全面探讨了这些主要障碍和扩展各种制造方法的潜在发展[110]。

结论

最近在3D微电极架构设计方面的进展为提高整体设备效率、耐用性和能量及功率密度带来了巨大潜力。与传统平面电极相比，研究人员通过利用复杂的3D设计（如多孔和分层架构）显著提高了电化学性能，增强了活性表面积并优化了离子传输路径。

CRediT作者贡献声明

莎莉妮·萨哈尼（Shalini Sahani）：撰写——初稿、可视化、软件开发、数据分析、概念化。考斯图布·昌德拉坎特·凯尔（Kaustubh Chandrakant Khaire）：软件开发、方法论研究。约格什·钱德拉·夏尔马（Yogesh Chandra Sharma）：撰写——审稿与编辑、监督。孙秀汉（Sung Soo Han）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。