Monolithic supercapacitor fabrication with screen-printing

Abstract

Supercapacitors are generally used as electrical energy storage. An electrochemical double layer in the supercapacitor causes high capacitance. Compared to batteries supercapacitors have lower energy density but higher power density, longer lifetime, and wider operating temperature. Additionally, materials for supercapacitors can be chosen to be more environmentally sustainable and non-toxic. Recently research has widely investigated different materials to improve the energy density of supercapacitors. Because of the lower energy density, supercapacitors cannot supersede batteries alone. Together with energy harvesting, supercapacitors can establish energy autonomous systems. Furthermore, hybrid systems can be made from batteries and supercapacitors to exploit the benefits of both devices. The thesis aimed to use screen-printing to fabricate a supercapacitor with a monolithic structure. The structure has all layers; 1st current collector, 1st electrode, separator, 2nd electrode, and 2nd current collector printed on top of each other. This way the fabrication process does not require an assembly step, in which the separator, electrolyte and two electrodes are merged. However, the separator must prevent contact between the electrodes in the monolithic structure already during the fabrication. Inks for the supercapacitor layers were tested with the screen-printer. The separator layer turned out to be challenging, thus different printing practices were studied. In the thesis, the monolithic supercapacitor was successfully fabricated with a screen-printer. The achieved separator in the monolithic structure corresponded with the commercial paper used as the separator. Printed separators prevented short circuits and demonstrated low leakage current of 4.6 µA in the supercapacitors. However, the discovered fabrication process for the separator layer requires in total six prints and the layer was cured twice between the prints. In future work, the printing process should be further developed in a way that the process would be simpler and would achieve smoother layers. Especially, the separator layer has a rough surface which influenced the upper electrode layer. Fabricated supercapacitors had variations in the capacitance, which are believed to occur from uneven electrodes.

Superkondensaattori on tyypillisesti sähköenergian varastointiin käytetty komponentti, jonka suuri kapasitanssi saavutetaan sähkökemiallisen kaksoiskerroksen avulla. Verrattuna yleisempään akkuun superkondensaattorin energiatiheys on pieni, mutta esimerkiksi tehotiheys, käyttöikä ja toimintalämpötila ovat suurempia. Erilaisia materiaaleja on tutkittu paljon superkondensaattoreissa suuremman energiatiheyden saavuttamiseksi. Lisäksi super-kondensaattoreiden materiaalit voidaan valita ympäristön kannalta kestävästi ja välttää haitallisia materiaaleja. Koska energiatiheys on heikompi kuin akuilla, eivät superkondensaattorit voi täysin korvata akkuja. Toisaalta energiakeräimen kanssa superkondensaattori voi muodostaa energiaomavaraisen laitteen. Lisäksi superkondensaattori sekä akku on mahdollista yhdistää sovelluksessa, jolloin molempien sähköenergiavarastojen ominaisuuksia voidaan hyödyntää. Työn tavoitteena oli valmistaa superkondensaattori silkkipainomenetelmällä siten, että rakenteessa kerrokset on painettu toistensa päälle muodostaen monoliittisen rakenteen. Tällä tavalla voidaan välttää kokoamisvaihe, jossa erilliset elektrodipuolikkaat ja separaattori yhdistetään. Rakenteessa, jossa kaikki superkondensaattorin kerrokset (1. virrankerääjä , 1. elektrodi, separaattori, 2. elektrodi, 2. virrankerääjä) painetaan, on separaattorin estettävä yhteys elektrodien välillä jo valmistusvaiheessa. Eri kerrosten musteet testattiin painaa alkuun silkkipainokoneella. Separaattori kerroksen muodostaminen osoittautui haastavaksi ja täten erilaisia painokäytänteitä tutkittiin. Työssä onnistuttiin valmistamaan monoliittinen superkondensaattori silkkipainomenetelmällä. Saavutettu separaattori vastasi hyvin paperista separaattoria, kerros esti tehokkaasti oikosulut ja vuotovirta superkondensaattoreissa pysyi matalana 4,6 µA. Kuitenkin superkondensaattorin painoprosessi on pitkä, sillä separaattorikerros muodostuu kuudesta painatuksesta ja näiden välillä kerros on kuivattava kahdesti. Monoliittisen superkondensaattorin painoprosessia olisikin hyvä optimoida, jotta se olisi yksinkertaisempi sekä siten että kerrokset olisivat tasaisempia. Eritoten separaattorikerroksen havaittiin jäävän karheaksi, mikä hankaloitti saamaan tasaisia elektrodikerroksia. Valmistetuissa superkondensaattoreissa havaittiinkin eroavaisuuksia kapasitansseissa ja näiden arvellaan johtuvan nimenomaan elektrodikerroksen vaihtelevuudesta.