用于高性能片上储能系统的3D多孔金属支架叉指微电极

摘要 片上储能系统的开发对于下一代片上系统（SoC）技术至关重要，特别是在为医疗植入物、微型机器人和微型传感器等微尺度设备供电方面。在有限的设备占用面积内增强电荷存储性能仍然是一项关键挑战，需要推进电极设计以提高储能能力。在这项工作中，引入了基于多孔3D铜（Cu）支架的叉指电极（IDEs）作为集流体，其中采用动态氢气泡模板（DHBT）法制备多孔Cu支架IDEs，形成了顶部表面孔隙率增加的结构化多孔网络。该设计极大地增强了聚苯胺（PANI）正极和锌（Zn）负极等电极材料的有效负载，从而提高了锌离子微型电池（3D ZIMBs）中的电荷存储性能，并促进了活性炭（AC）在用于3D微型超级电容器（3D MSCs）的3D多孔Cu上的沉积。我们的结果表明，3D ZIMBs的电荷存储显著改善，在100 µA cm − 2下达到32.46 µAh cm − 2，相比之下ZIMBs（PANI和Zn沉积在平面Au IDEs上）为16.99 µAh cm − 2。同样，3D MSCs在0.1 mA cm −2下的面积电容为22.81 mF cm − 2，优于MSCs（AC沉积在平面Au IDEs上）的4.52 mF cm − 2。此外，3D ZIMBs和3D MSCs分别实现了令人瞩目的29.62和4.04 µWh cm − 2的面积能量，优于大多数报道的高性能片上储能系统。因此，本研究提出了一种增强平面储能系统电化学性能的创新策略，并为片上储能研究的推进做出了贡献。