Deep-eutectic-solvent-based supercapacitor for single-use medical diagnostics

Abstract

Supercapacitors are an emerging form of energy storage, based on the high specific capacitance of an electrochemical double layer interface. Due to their high power density (i.e. fast charging/discharging capability), excellent cyclic stability (~1,000,000 charge/discharge cycles), and simple construction based on highly abundant raw materials (e.g. biomass-derived activated carbon), they are considered an attractive alternative to batteries in various diverse applications, ranging from low-power medical sensors to high-power train accelerators. Although the active materials used in supercapacitor electrodes are considered benign in terms of health, safety, and environmental effects, the commonly employed TEABF4/AN electrolyte (tetraethylammonium tetrafluoroborate salt dissolved in acetonitrile) is chemically toxic, volatile, and highly flammable.

Deep eutectic solvents (DESs) have emerged as a promising class of ionically conductive media that possess various useful properties such as biodegradability, non-toxicity, and a stable voltage window comparable with commercial electrolytes. Although their power density is limited due to their relatively low ionic conductivity, their high energy density makes them an appealing choice for miniaturised low-power applications, such as disposable medical sensors.

This thesis investigates the use of a DES-based supercapacitors as a standalone energy storage component for an ASIC (application specific integrated circuit)-based C-peptide sensor. The aim of the work is to develop a low-cost and easily disposable ~100 mF, 3.6 V super-capacitor prototype, with reduced physical dimensions compared to a previously developed, aqueous-electrolyte-based functional device. Four DES alternatives are investigated through extensive electrochemical studies, with a focus on mitigating the leakage current and self-discharging behaviour of the supercapacitor.

An energy density increase of ~100–200% was obtained with the investigated DES-electrolytes, with respect to the aqueous reference. The lowest capacitance-normalised leakage current (~100 µA F-1 per cell) was achieved with a low-viscosity propylene-glycol-based DES, which reduced the leakage current of the DES-based supercapacitor by ~40%. Two-cell prototypes fabricated using the propylene-glycol-based DES demonstrated a capacitance of ~120 mF, an ESR of ~70 Ω, and a leakage current of ~22 µA comparable to the reference design, while achieving a ~50% reduction in overall device size and material consumption. The DES-based approach also allowed the elimination of an aluminium barrier from the substrate film, further reducing the material footprint of the design.

Superkondensaattorit ovat kehittyvä energianvarastointimuoto, jonka toiminta perustuu sähkökemiallisen kaksoiskerroksen suureen ominaiskapasitanssiin. Korkea energiatiheys (ts. nopea lataus/purkukyky), erinomainen syklinen stabiilius (~1 000 000 lataus/purkusykliä), sekä yksinkertainen ja laajasti saatavilla olevista raakamateriaaleista (esim. biomassasta tuotettu aktiivihiili) koostuva rakenne tekevät niistä houkuttelevan vaihtoehdon akuille monissa eri sovelluksissa, vaihdellen pienitehoisista lääketieteellisistä sensoreista suuritehoisiin junankiihdytysjärjestelmiin. Vaikka superkondensaattoreiden elektrodeissa käytetyt aktiiviset materiaalit ovat yleisesti ottaen terveyden, käyttöturvallisuuden ja ympäristön kannalta harmittomia, on niiden elektrolyyttinä yleisesti käytetty TEABF4/AN (asetonitriiliin liuotettu tetraetyyliammoniumtetrafluoroboraattisuola) kemiallisesti myrkyllinen, herkästi haihtuva ja tulenarka.

Syväeutektiset liuottimet (DES, engl. deep eutectic solvent) ovat joukko ionijohtavia aineita, joilla on useita hyödyllisiä ominaisuuksia, mukaan lukien biohajoavuus, myrkyttömyys ja kaupallisia elektrolyyttejä vastaava stabiili jänniteikkuna. Vaikka DES-elektrolyyttien verrattain matala ionijohtavuus rajoittaa niiden tehotiheyttä, niiden korkea energiatiheys tekee niistä houkuttelevan vaihtoehdon pienitehoisiin sovelluksiin, kuten kertakäyttöisiin lääketieteellisiin sensoreihin.

Tämä työ tutkii DES-pohjaisten superkondensaattoreiden hyödyntämistä C-peptidiä mittaavan, sovelluskohtaista integroitua piiriin hyödyntävän sensorin energianvarastointikomponenttina. Työn tavoitteena on kehittää edullinen ja helposti hävitettävissä oleva ~100 mF:n ja ~3,6 V:n superkondensaattoriprototyyppi, joka voidaan valmistaa pienemmässä fyysisessä koossa verrattuna aikaisemmin kehitettyyn vesipohjaista elektrolyyttiä hyödyntävään superkondensaattoriprototyyppiin. Työ tutkii neljän DES-elektrolyytin sähkökemiallisia ominaisuuksia ja keskittyy erityisesti niiden vuotovirran minimoimiseen.

Työssä tutkitut DES-elektrolyytit kasvattivat superkondensaattorin energiatiheyttä ~100–200 % vesipohjaiseen elektrolyyttiin verrattuna. Pienin kapasitanssinormalisoitu vuotovirta (~100 µA F-1 per kenno) saavutettiin matalaviskositeettisellä propyleeniglykolipohjaisella DES-elektrolyytillä, joka pienensi DES-pohjaisen superkondensaattorin vuotovirtaa 40 %. Kyseistä DES-elektrolyyttiä hyödyntävät kaksikennoiset prototyypit saavuttivat ~120 mF:n kapasitanssin, 70 Ω:n ESR:n, ja referenssiprototyyppiä vastaavan ~22 µA:n vuotovirran, mahdollistaen samalla 50 % pienemmän fyysisen koon ja materiaalinkulutuksen. Lisäksi DES-elektrolyytti mahdollisti alumiinikerroksen poistamisen prototyypin substraattikalvosta, pienentäen edelleen laitteen materiaalijalanjälkeä.