隨著物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備和自供能傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，對(duì)微型儲(chǔ)能器件提出了迫切需求——這些器件需在有限空間內(nèi)提供可靠、持續(xù)且高性能的電能供應(yīng)。在眾多解決方案中，片上微型超級(jí)電容器(MSCs)因其優(yōu)異的功率密度、超快充放電能力和超長(zhǎng)循環(huán)壽命備受關(guān)注，尤其適合作為分布式傳感器、柔性可穿戴設(shè)備和小型化計(jì)算節(jié)點(diǎn)的嵌入式電源模塊。然而，MSCs較低的能量密度嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用。根據(jù)能量密度公式E=0.5CMSCV2，提升能量密度需同時(shí)優(yōu)化電極材料本征電容(C)和工作電壓窗口(V)。對(duì)稱式MSCs受限于單一材料的氧化還原特性，電壓窗口較窄;非對(duì)稱MSCs雖可通過互補(bǔ)電極材料拓寬電壓窗口，但面臨制備工藝復(fù)雜、材料兼容性差和成本高等問題。

提出通過調(diào)控MnO2中非晶格氧(吸附氧和結(jié)晶水)的濃度，引入額外氧化還原活性位點(diǎn)，顯著提升電極的電荷存儲(chǔ)能力和能量密度;通過EQCM技術(shù)揭示了MnO2在堿性電解液中的多步反應(yīng)機(jī)制;該研究為設(shè)計(jì)兼具高能量密度、柔性和可擴(kuò)展性的微型儲(chǔ)能器件提供了新范式，適用于物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等下一代微電子技術(shù)。在過去的十年中，人們對(duì)超級(jí)電容器的小型化及其在芯片或柔性基板上的集成產(chǎn)生了濃厚的興趣。作為嵌入式微系統(tǒng)的儲(chǔ)能微器件，雖然還沒有明確的命名法，但是“微型超級(jí)電容器”一詞，與“微電池”類似，已被廣泛采用。[1,2]

作為電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置，小型化超級(jí)電容器的基本結(jié)構(gòu)包括由離子導(dǎo)體電解質(zhì)隔開的正極和負(fù)極。然而由于實(shí)際應(yīng)用需要使用無(wú)泄漏裝置，現(xiàn)在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先使用固態(tài)或凝膠型電解質(zhì)。盡管這些凝膠型電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)率與液體電解質(zhì)(1-100 mS/cm)相當(dāng)，但它們?nèi)匀淮嬖谝恍┤秉c(diǎn)，例如溶劑蒸發(fā)(會(huì)大大降低離子傳導(dǎo)率)，溶劑和聚合物在100°C以上的熱穩(wěn)定性差。微電容器可使用與超級(jí)電容器相同的材料，與傳統(tǒng)的電極材料相比，它的使用并沒有想象中的復(fù)雜，其成本主要由微制造工藝決定。MLCC：電子世界中的微型能量存儲(chǔ)器 MLCC，也就是多層陶瓷電容器，是電子設(shè)備中不可或缺的一部分。

這種電容器以其獨(dú)特的多層結(jié)構(gòu)和獨(dú)石電容的特點(diǎn)，成為了電子整機(jī)中的主要被動(dòng)貼片元件之一。MLCC的誕生可以追溯到上世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)美國(guó)公司率先研發(fā)成功。隨后，日本公司如村田(Murata)、TDK和太陽(yáng)誘電等迅速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化，至今在全球MLCC領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。MLCC以其高可靠性、高精度、高集成度、高頻率、智能化、低功耗、大容量、小型化和低成本等特點(diǎn)，成為了通訊器材、計(jì)算機(jī)板卡和家電遙控器等設(shè)備中的常用元件。隨著表面貼裝技術(shù)(SMT)的快速發(fā)展，MLCC的用量也在不斷增加。每部移動(dòng)電話中就可能使用多達(dá)200個(gè)MLCC。

MLCC以其大容量、小體積和易于片式化的特點(diǎn)，成為了電子設(shè)備中的關(guān)鍵元件。2002年，全球MLCC的產(chǎn)量達(dá)到了4000億只，最小尺寸甚至達(dá)到了0402和0201。這些小小的電容器在電子設(shè)備中發(fā)揮著巨大的作用，為我們的日常生活提供了便利。有孔電容器是一種新型微型電容器，可以通過在一塊介電體上打上成千上萬(wàn)個(gè)微孔來(lái)實(shí)現(xiàn)極高的電容密度。這種電容器具有較高的工作頻率和可靠性，并且能夠有效地提高集成電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)中的容量和速度。有孔電容器在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、集成電路等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)中使用有孔電容器可以大幅擴(kuò)大存儲(chǔ)容量，同時(shí)提高讀寫速度;在集成電路中使用有孔電容器可以提高電路的性能和功率密度。有孔電容器的工作原理和傳統(tǒng)電容器相似，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有微孔。這些微孔可以將電流流過集中在小面積中，從而實(shí)現(xiàn)高電容密度。同時(shí)，介電體中的微孔也可以提高電容器的工作頻率和可靠性。

相比傳統(tǒng)電容器和其他微型電容器，有孔電容器具有以下優(yōu)勢(shì)：

1. 高電容密度：有孔電容器能夠?qū)崿F(xiàn)極高的電容密度，因?yàn)樗鼈兝昧宋⒖椎碾娙菪再|(zhì)。

2. 高工作頻率：由于微孔的存在，有孔電容器能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工作頻率，這在某些應(yīng)用場(chǎng)景下非常重要。

3. 可靠性：由于其結(jié)構(gòu)緊湊，有孔電容器在高溫、高壓等環(huán)境下具有更好的可靠性。

超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)眾多。首先，其充放電速度極快，能夠在短短數(shù)秒甚至數(shù)毫秒內(nèi)完成充電和放電過程，這使得它在需要快速能量響應(yīng)的領(lǐng)域，如電動(dòng)汽車的啟動(dòng)和加速、電子設(shè)備的瞬間供電等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。其次，超級(jí)電容器具有極高的功率密度，能夠在短時(shí)間內(nèi)釋放出巨大的能量，為高功率設(shè)備提供強(qiáng)大的動(dòng)力支持。再者，它的循環(huán)壽命長(zhǎng)，通?？梢越?jīng)受數(shù)十萬(wàn)次甚至上百萬(wàn)次的充放電循環(huán)，大大降低了使用成本和維護(hù)難度。此外，超級(jí)電容器還具有良好的低溫性能和可靠性，能夠在極端環(huán)境下穩(wěn)定工作。

在實(shí)際應(yīng)用中，超級(jí)電容器已經(jīng)展現(xiàn)出了廣泛的用途。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，超級(jí)電容器與電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)，可以提高電動(dòng)汽車的性能和續(xù)航里程。在城市公交系統(tǒng)中，超級(jí)電容器驅(qū)動(dòng)的公交車能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電和頻繁啟停，減少能源消耗和尾氣排放。在可再生能源領(lǐng)域，超級(jí)電容器可以有效地平滑風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源的輸出波動(dòng)，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。在工業(yè)領(lǐng)域，超級(jí)電容器被用于智能電表、起重機(jī)、電梯等設(shè)備，提高設(shè)備的運(yùn)行效率和可靠性。

然而，超級(jí)電容器也并非完美無(wú)缺。目前，其能量密度相對(duì)較低，與電池相比，在相同體積或重量下能夠儲(chǔ)存的能量有限。這在一定程度上限制了它在一些對(duì)能量存儲(chǔ)要求較高的領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，超級(jí)電容器的成本相對(duì)較高，也制約了其大規(guī)模普及。為了克服這些挑戰(zhàn)，科研人員們正在不斷努力進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)。一方面，他們致力于開發(fā)新型的電極材料和電解液，以提高超級(jí)電容器的能量密度;另一方面，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和制造工藝，降低生產(chǎn)成本。隨著研究的不斷深入，相信超級(jí)電容器在未來(lái)的能源存儲(chǔ)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更加重要的作用。

電流電容器通常使用基于金屬氧化物的電極，但它們受到電子遷移率差的限制。因此，Misra和她的團(tuán)隊(duì)決定建造由交替的幾個(gè)原子厚的二硫化鉬層(MoS)組成的混合FET。2)和石墨烯 - 增加電子遷移率 - 然后連接到金觸點(diǎn)。在兩個(gè)FET電極之間使用固體凝膠電解質(zhì)來(lái)構(gòu)建固態(tài)超級(jí)電容器。整個(gè)結(jié)構(gòu)建立在二氧化硅/硅基座上。

“設(shè)計(jì)是關(guān)鍵部分，因?yàn)槟蓛蓚€(gè)系統(tǒng)，”Misra說(shuō)。這兩個(gè)系統(tǒng)是兩個(gè)FET電極和凝膠電解質(zhì)，一種離子介質(zhì)，它們具有不同的充電容量。IAP的博士生，主要作者之一Vinod Panwar補(bǔ)充說(shuō)，制造設(shè)備以獲得晶體管的所有理想特性具有挑戰(zhàn)性。由于這些超級(jí)電容器非常小，沒有顯微鏡就無(wú)法看到它們，并且制造過程需要高精度和手眼協(xié)調(diào)。

一旦超級(jí)電容器被制造出來(lái)，研究人員就通過施加各種電壓來(lái)測(cè)量設(shè)備的電化學(xué)電容或電荷保持能力。他們發(fā)現(xiàn)，在某些條件下，電容增加了3000%。相比之下，僅包含MoS的電容器2在沒有石墨烯的情況下，在相同條件下電容僅提高了18%。

未來(lái)，研究人員正計(jì)劃探索是否取代MoS。2與其他材料可以進(jìn)一步增加其超級(jí)電容器的電容。他們補(bǔ)充說(shuō)，他們的超級(jí)電容器功能齊全，可以通過片上集成部署在電動(dòng)汽車電池等儲(chǔ)能設(shè)備或任何小型化系統(tǒng)中。他們還計(jì)劃申請(qǐng)超級(jí)電容器的專利。