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小型化技术需要更小的组件，包括储能设备。 Batteries 存储大量能量，但功率输出较慢，而 Supercapacitors 可以快速充电和放电，但能量存储较少。不仅大型的 bulk batteries 和 supercapacitors 存在这种情况，微型设备也存在同样的问题，Microbatteries 和 microsupercapacitors 也具有与其大型 counterparts 相同的局限性。

现在，伦敦大学学院 (UCL) 的研究人员开发了一种混合储能方案，可以在存储容量和放电速率之间提供更好的平衡。这种被称为锌离子 micro-capacitor (ZIMC) 的组件，有朝一日可能会应用于紧凑型设备，例如 Wearables、Medical implants 和 IoT devices。

UCL 的 储能 讲师 Buddha Deka Boruah 说：“我们的目标并不是在各个方面都优于 microbatteries 和 microsupercapacitors，而是创造一种兼顾能量和功率的小型设备。”研究人员于 3 月在 ACS Nano 上发表了 他们的研究结果。

融合 Microcapacitors 和 Microbatteries 的优点

该设备以小型片上形式结合了 microcapacitors 和 microbatteries 的优点。研究人员使用动态鼓泡电沉积技术，开发了由金制成的多孔三维叉指电极 (IDE) 作为集电器，从而创建了具有相对较大表面积的多孔结构。

集电器是薄金属层，用于在电极和外部电路之间传输 Electrons（往返电极）。 减少集电器的厚度是减少储能设备尺寸的关键方法之一。

微型绘图仪制造技术将不同的材料加载到多孔集电器中，以制造两个电极。研究人员将 Zinc 离子添加到 IDE 中，形成类似电池的阳极，并添加涂有导电聚合物 PEDOT 的活性炭，以形成类似电容器的混合阴极。

IDE 的多孔性质允许将更多的活性材料（锌离子和活性炭-PEDOT 材料）加载到电极中。这提高了设备的能量容量，并改善了电流的流动性，因为集电器和电极之间的接触面积相对较大。

IDE 的多孔性质还改善了离子进出电极的运动，从而增加了可存储的电荷量。在该设备中，锌阳极通过锌离子的电镀和剥离像电池一样存储能量。然而，阴极使用双层电容和快速氧化还原反应快速存储和释放能量。

Illustration of a 3D gold zinc-ion microcapacitor's structure.The zinc-ion microcapacitor’s design allows it to store more energy than a supercapacitor but release power more quickly The advantageous structure of the 3D Au Zn//AC-PEDOT SIMC.Yujia Fan, Nibagani Naresh et al./ACS Nano

与 microsupercapacitors 相比，这项开发在更小的封装中提供了更多的能量和功率，但它不像 microbatteries 那样存储大量的能量。相反，它采用了两种传统架构之间的中间地带： Fast charging 和放电速率、数千次充放电循环的长循环寿命、较低的过热风险以及仅 0.4 平方厘米的器件面积。

Boruah 说：“可以制造出仅几百微米宽的设备。 它们甚至可以做得更小，我们正在积极努力。”

本研究中开发的 ZIMC 每平方厘米存储约 1.2 微瓦时的能量，低于 microbatteries 的每平方厘米 0.37 毫瓦时，但 ZIMC 的充电速度更快，并且可以持续更多充电周期。与 microsupercapacitors 相比，ZIMC 具有更高的功率面积密度（每平方厘米 640 微瓦，而 0.0056 μW/cm²），这意味着 ZIMC 比 microsupercapacitor 可以更快地释放更多的能量。

与其他过去开发的混合储能设备相比，ZIMC 的性能也良好。基于锂和钠的混合储能设备比这些 ZIMC 存储更多的能量，但 ZIMC 可能更安全，更持久。 ZIMC 也可以使用简单的处理方法直接制造到芯片上。

Boruah 说：“我们的设备不是要取代现有的 microbatteries 或 microsupercapacitors，而是将两者的优点结合在一起，为下一代片上电子产品提供紧凑而高效的解决方案。”

尽管取得了进展，Boruah 指出，尽管该设备的性能良好，但使用黄金作为集电器可能对商业用途来说过于昂贵。 此外，虽然材料选择和架构是灵活的，并且可以比其他更刚性的储能方案弯曲和拉伸更多，但研究人员尚未明确测试该设备在弯曲和机械应力下的性能。

研究人员计划通过改进这些 ZIMC 的可扩展性、灵活性和集成到现实世界设备中来继续这项研究，包括将 ZIMC 与 片上系统 (SoC) Microsystems 的微型传感器集成在一起。 他们还计划探索替代集电器材料以取代黄金，但要具有相同的性能并且成本更具商业可行性，并优化电极设计以进一步提高 Energy density。