物联网需要超紧凑的超级电容器

医疗保健、环境服务和物联网对超微型电子传感器的需求不断增加，这促使人们寻找同样微型的方法来为这些传感器供电。对超小型超级电容器或“微型超级电容器”状态的回顾得出结论，在这些设备兑现承诺之前，仍有大量研究工作要做。

该评论发表在《纳米研究能源》杂志上。

近年来，对小型化电子设备(如健康监测器、环境传感器和无线通信技术)的需求激增，反过来又推动了对那些尺寸和重量更小、能耗更低的设备的需求，而所有这些以更便宜的价格。

对这种高性能但微型电子元件的需求最能说明的是物联网新兴但实质性的需求——嵌入多个微型传感器，这些微型传感器可以接收、处理和传输来自智能手机的各种应用的信号。家庭技术到医疗保健。这种微型传感器往往部署在极其有限的空间中。

由于这些微型传感器——就像它们的宏观表亲一样——必须依靠来自某个地方的能量来运行，它们必须与同样微小的“微电源”配对。但是，传统的储能设备(例如电池)的结合，即使是非常小的，也使得传感器对于物联网的要求来说过于沉重和笨重。

因此，科学家和工程师探索了将光甚至机械振动等能源转化为电能的可能性，但这仍然需要某种能量存储来补偿这些能源的间歇性和不稳定性。

什么可以完成电池的工作，但又不需要像电池那样笨重?微型超级电容器是一种选择。

电工和电气工程师可能对电容器很熟悉，但公众可能对它们的工作原理不如对电池熟悉。电容器以电场的形式存储能量，而不是像电池那样以化学方式存储能量。它不能像电池那样储存那么多的能量，但它可以更快地充电和释放能量。

超级电容器是一种比普通电容器具有更多能量存储容量的电容器，使其成为电容器和电池之间的中转站。超紧凑型超级电容器，或“微型超级电容器”(MSC)是一种超级电容器，它足够小，可以集成到微型甚至纳米电子系统中。

正是这些 MSC 在物联网时代受到了越来越多的关注，特别是在允许自供电和无线微纳电子方面。这是由于它们出色的功率输出、大约 100,000 次循环的超长寿命、更可控的电子或离子扩散路径(在电子系统中完成所有工作的微小动力学“参与者”)、可调节的输出性能和易于集成超小型系统。

“但要让这一切发挥作用，仍然存在许多挑战，”该评论论文的合著者、科学院催化国家重点实验室教授吴忠帅说。“所以我们认为是时候整理一篇评论文章，以便该领域能够更好地确定我们做对了什么，以及仍然需要解决的问题。”

评论文章是一门年轻学科发展的关键阶段，因此研究人员可以澄清当前的理解，识别挑战和研究差距。评论还可以提供政策指南和最佳实践提示。

审稿人得出的结论是，科学文献中报道的大多数 MSC 的尺寸仍然太大，无法轻松纳入微电子系统。有限的注意力集中在小于 10 平方毫米的超小型 MSC 的制造上，以及在微尺度上对电解质(MSC 的关键元素)的超紧凑限制。

MSC 面临的主要挑战仍然是需要减小特征尺寸，包括微电极长度、宽度和相邻微电极之间的间隙。所有这些都将提高 MSC 集成到相关设备中的能力。沿着这些思路，许多 MSC 研究都集中在高精度微细加工技术上，例如光刻、激光划线技术、聚焦离子束蚀刻和新型印刷方法。

MSC 近期的其他进展包括开发卓越的分辨率、可调节的输出电压、改进的电容(MSC 以电荷的形式收集和存储能量的能力)以及形状一致的电解质的沉积。

尽管取得了许多令人印象深刻的成就，特别是在纳米尺度上，但能量和功率密度仍然不能满足成本效益。此外，理论理解需要工作。在这方面，鉴于与 MSC 研究相关的领域的数量，作者主张加强跨学科合作，并希望看到引入机器学习来协助精确设计 MSC，以更精确地匹配不同智能应用场景中的不同需求。

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