隨著物聯(lián)網、可穿戴設備和自供能傳感器網絡的快速發(fā)展，對微型儲能器件提出了迫切需求——這些器件需在有限空間內提供可靠、持續(xù)且高性能的電能供應。在眾多解決方案中，片上微型超級電容器(MSCs)因其優(yōu)異的功率密度、超快充放電能力和超長循環(huán)壽命備受關注，尤其適合作為分布式傳感器、柔性可穿戴設備和小型化計算節(jié)點的嵌入式電源模塊。然而，MSCs較低的能量密度嚴重制約了其實際應用。根據能量密度公式E=0.5CMSCV2，提升能量密度需同時優(yōu)化電極材料本征電容(C)和工作電壓窗口(V)。對稱式MSCs受限于單一材料的氧化還原特性，電壓窗口較窄;非對稱MSCs雖可通過互補電極材料拓寬電壓窗口，但面臨制備工藝復雜、材料兼容性差和成本高等問題。

提出通過調控MnO2中非晶格氧(吸附氧和結晶水)的濃度，引入額外氧化還原活性位點，顯著提升電極的電荷存儲能力和能量密度;通過EQCM技術揭示了MnO2在堿性電解液中的多步反應機制;該研究為設計兼具高能量密度、柔性和可擴展性的微型儲能器件提供了新范式，適用于物聯(lián)網、可穿戴設備等下一代微電子技術。在過去的十年中，人們對超級電容器的小型化及其在芯片或柔性基板上的集成產生了濃厚的興趣。作為嵌入式微系統(tǒng)的儲能微器件，雖然還沒有明確的命名法，但是“微型超級電容器”一詞，與“微電池”類似，已被廣泛采用。[1,2]

作為電化學能量存儲裝置，小型化超級電容器的基本結構包括由離子導體電解質隔開的正極和負極。然而由于實際應用需要使用無泄漏裝置，現(xiàn)在設計時優(yōu)先使用固態(tài)或凝膠型電解質。盡管這些凝膠型電解質的離子傳導率與液體電解質(1-100 mS/cm)相當，但它們仍然存在一些缺點，例如溶劑蒸發(fā)(會大大降低離子傳導率)，溶劑和聚合物在100°C以上的熱穩(wěn)定性差。微電容器可使用與超級電容器相同的材料，與傳統(tǒng)的電極材料相比，它的使用并沒有想象中的復雜，其成本主要由微制造工藝決定。MLCC：電子世界中的微型能量存儲器 MLCC，也就是多層陶瓷電容器，是電子設備中不可或缺的一部分。

這種電容器以其獨特的多層結構和獨石電容的特點，成為了電子整機中的主要被動貼片元件之一。MLCC的誕生可以追溯到上世紀60年代，當時美國公司率先研發(fā)成功。隨后，日本公司如村田(Murata)、TDK和太陽誘電等迅速發(fā)展和產業(yè)化，至今在全球MLCC領域保持領先地位。MLCC以其高可靠性、高精度、高集成度、高頻率、智能化、低功耗、大容量、小型化和低成本等特點，成為了通訊器材、計算機板卡和家電遙控器等設備中的常用元件。隨著表面貼裝技術(SMT)的快速發(fā)展，MLCC的用量也在不斷增加。每部移動電話中就可能使用多達200個MLCC。

MLCC以其大容量、小體積和易于片式化的特點，成為了電子設備中的關鍵元件。2002年，全球MLCC的產量達到了4000億只，最小尺寸甚至達到了0402和0201。這些小小的電容器在電子設備中發(fā)揮著巨大的作用，為我們的日常生活提供了便利。有孔電容器是一種新型微型電容器，可以通過在一塊介電體上打上成千上萬個微孔來實現(xiàn)極高的電容密度。這種電容器具有較高的工作頻率和可靠性，并且能夠有效地提高集成電路和數據存儲介質中的容量和速度。有孔電容器在數據存儲、集成電路等領域都具有廣闊的應用前景。例如，在數據存儲介質中使用有孔電容器可以大幅擴大存儲容量，同時提高讀寫速度;在集成電路中使用有孔電容器可以提高電路的性能和功率密度。有孔電容器的工作原理和傳統(tǒng)電容器相似，但是其內部結構具有微孔。這些微孔可以將電流流過集中在小面積中，從而實現(xiàn)高電容密度。同時，介電體中的微孔也可以提高電容器的工作頻率和可靠性。

相比傳統(tǒng)電容器和其他微型電容器，有孔電容器具有以下優(yōu)勢：

1. 高電容密度：有孔電容器能夠實現(xiàn)極高的電容密度，因為它們利用了微孔的電容性質。

2. 高工作頻率：由于微孔的存在，有孔電容器能夠實現(xiàn)更高的工作頻率，這在某些應用場景下非常重要。

3. 可靠性：由于其結構緊湊，有孔電容器在高溫、高壓等環(huán)境下具有更好的可靠性。

超級電容器的優(yōu)點眾多。首先，其充放電速度極快，能夠在短短數秒甚至數毫秒內完成充電和放電過程，這使得它在需要快速能量響應的領域，如電動汽車的啟動和加速、電子設備的瞬間供電等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。其次，超級電容器具有極高的功率密度，能夠在短時間內釋放出巨大的能量，為高功率設備提供強大的動力支持。再者，它的循環(huán)壽命長，通常可以經受數十萬次甚至上百萬次的充放電循環(huán)，大大降低了使用成本和維護難度。此外，超級電容器還具有良好的低溫性能和可靠性，能夠在極端環(huán)境下穩(wěn)定工作。

在實際應用中，超級電容器已經展現(xiàn)出了廣泛的用途。在交通運輸領域，超級電容器與電池組成的混合動力系統(tǒng)，可以提高電動汽車的性能和續(xù)航里程。在城市公交系統(tǒng)中，超級電容器驅動的公交車能夠實現(xiàn)快速充電和頻繁啟停，減少能源消耗和尾氣排放。在可再生能源領域，超級電容器可以有效地平滑風能和太陽能等可再生能源的輸出波動，提高電網的穩(wěn)定性和可靠性。在工業(yè)領域，超級電容器被用于智能電表、起重機、電梯等設備，提高設備的運行效率和可靠性。

然而，超級電容器也并非完美無缺。目前，其能量密度相對較低，與電池相比，在相同體積或重量下能夠儲存的能量有限。這在一定程度上限制了它在一些對能量存儲要求較高的領域的應用。此外，超級電容器的成本相對較高，也制約了其大規(guī)模普及。為了克服這些挑戰(zhàn)，科研人員們正在不斷努力進行技術創(chuàng)新和改進。一方面，他們致力于開發(fā)新型的電極材料和電解液，以提高超級電容器的能量密度;另一方面，通過優(yōu)化器件結構和制造工藝，降低生產成本。隨著研究的不斷深入，相信超級電容器在未來的能源存儲領域將發(fā)揮更加重要的作用。

電流電容器通常使用基于金屬氧化物的電極，但它們受到電子遷移率差的限制。因此，Misra和她的團隊決定建造由交替的幾個原子厚的二硫化鉬層(MoS)組成的混合FET。2)和石墨烯 - 增加電子遷移率 - 然后連接到金觸點。在兩個FET電極之間使用固體凝膠電解質來構建固態(tài)超級電容器。整個結構建立在二氧化硅/硅基座上。

“設計是關鍵部分，因為您要集成兩個系統(tǒng)，”Misra說。這兩個系統(tǒng)是兩個FET電極和凝膠電解質，一種離子介質，它們具有不同的充電容量。IAP的博士生，主要作者之一Vinod Panwar補充說，制造設備以獲得晶體管的所有理想特性具有挑戰(zhàn)性。由于這些超級電容器非常小，沒有顯微鏡就無法看到它們，并且制造過程需要高精度和手眼協(xié)調。

一旦超級電容器被制造出來，研究人員就通過施加各種電壓來測量設備的電化學電容或電荷保持能力。他們發(fā)現(xiàn)，在某些條件下，電容增加了3000%。相比之下，僅包含MoS的電容器2在沒有石墨烯的情況下，在相同條件下電容僅提高了18%。

未來，研究人員正計劃探索是否取代MoS。2與其他材料可以進一步增加其超級電容器的電容。他們補充說，他們的超級電容器功能齊全，可以通過片上集成部署在電動汽車電池等儲能設備或任何小型化系統(tǒng)中。他們還計劃申請超級電容器的專利。