01
引言
便携式、可植入和可穿戴微电子技术的普及极大地促进了大功率平面微型超级电容器（PMSCs）的快速发展。特别是在PMSCs中引入新的功能（例如，高电压、柔性、可拉伸性、自愈合、电致变色和光/热响应），对于构建多功能PMSCs及其智能自供电集成微系统至关重要。这篇论文详细综述了PMSCs从各种功能微器件到智能集成微系统的最新进展和发展前景。首先，讨论了PMSCs的功能特性由三个主要因素体现，以强调其电化学行为及其独特的适用范围。随后，系统总结了三种具有代表性的集成微系统，包括能量采集器-PMSC集成微系统、PMSC-能耗集成微系统和一体化自供电微系统。最后，简要地提出了PMSCs为智能微电子提供动力的关键前景、挑战和机遇。
02
成果展示
近日，河南农业大学秦洁琼博士（第一作者），联合中科院大连化物所周锋副研究员、吴忠帅研究员（通讯作者）详细综述了PMSCs从各种功能微器件到智能集成微系统的最新进展，系统讨论了PMSCs的功能特性的主要体现形式及具有代表性的集成微系统种类。这个综述的目的是对过往的研究进行回顾，并针对性地分析了PMSCs在应对便携式、可植入和可穿戴微电子技术快速发展方面的前景和挑战，并对未来的研究提出了一些前景展望。
03
图文导读
PMSCs可以集成多种实用的功能（例如高电压、柔性、可拉伸、自修复、电致变色和光/热响应等），从而构建智能微器件和自供电集成微系统，最终用于智能微电子。目前，已有多篇文献从器件结构、电极材料、电解质和微加工技术等方面对PMSCs的研究进展进行了一定程度的总结。然而，缺少对具有多样化功能的PMSCs及其集成微系统的最新进展的系统总结。本文综述了功能型PMSCs（包括高电压、柔性/可拉伸和刺激响应的器件）及其智能集成微系统的最新研究进展，即能量采集器-PMSC集成微系统、PMSC-能耗集成微系统和一体化自供电微系统（图1）。
图1. 从功能性微器件到智能集成微系统的PMSCs示意图
1、高压型PMSCs
高压电源对于微电子和微机械的发展至关重要，如智能机器人、柔性驱动器、介电弹性体和传感器。研究人员在设计非对称电极结构、开发高压电解质、构建串联集成PMSCs以实现高电压输出三个方面进行了不懈的努力。
图2. 非对称结构的高压PMSCs
图3. 高压电解质基的高压PMSCs
图4. 模块化集成的高压PMSCs
2、 柔性和可拉伸PMSCs
为了满足可穿戴和植入式应用的需求，机械柔性和可拉伸性是PMSCs必备的重要属性，用以承受肌肉运动和关节运动等外部应变引起的变形。因此，近年来，开发具有任意形状的高性能的柔性和可拉伸PMSCs已成为国内外研究的热点。
图5. 柔性PMSCs
图6. 可拉伸PMSCs和PMSCs阵列
图7. 可变形PMSCs
3、 刺激响应型PMSCs
除了上述功能外，刺激响应能力也被引入PMSCs，以丰富其功能，并原位监测来自内部或外部环境的物理/化学变化。目前已经报道了包括自愈合、电致变色、光响应、热响应器件在内的一系列功能PMSCs，在智能电子领域显示出巨大的前景。
图8. 自愈合PMSCs和电致变色PMSCs
图9. 光响应PMSCs和热响应PMSCs
4、 其他类型PMSCs
除了上面提到的高电压、柔性/可拉伸和刺激响应型PMSCs外，还有许多其他功能性的PMSCs，如透明PMSCs和交流线性滤波PMSCs。
图10. 透明PMSCs和交流线性滤波PMSCs
5、 智能PMSC集成微系统
在芯片上构建自供电集成微系统是设计各种PMSCs的最终目标，其中PMSCs作为能量存储部件与能量收集器（例如，太阳能电池和纳米发电机）和能量消耗单元（例如，不同的传感器和光电探测器）耦合，实现了不同的智能集成微系统。
图11. 能量收集-PMSC集成微系统
图12. PMSC-能源消耗集成微系统
图13. 一体化自供电微系统
04
小结
受新一代微电子技术的启发，将储能与其他功能（如高压、柔性/可拉伸性和各种刺激响应）相结合的多功能PMSCs和基于PMSC的集成微系统（包括能量收集-PMSC、PMSC -能量消耗和一体化自供电设备）得到了迅速发展。但在，功能性PMSCs和集成微系统的未来发展中，仍面临多个关键挑战：（1）设计多功能材料和创新微型器件；（2）发展低成本且先进的微细加工技术；（3）规范微型器件的评价指标和相应标准；（4）平衡功能性PMSCs的储能性能和功能性；（5）真正一体化自供电微系统的构筑与实际应用。
文章信息
Recent advances and key opportunities on in-plane micro-supercapacitors: From functional microdevices to smart integrated microsystem
Jieqiong Qin, Hongtao Zhang, Zhi Yang, Xiao Wang, Pratteek Das, Feng Zhou*, Zhong-Shuai Wu*
Journal of Energy Chemistry
DOI:10.1016/j.jechem.2023.01.065
作者信息
秦洁琼，河南农业大学校聘教授，校拔尖人才，硕士生导师。2020年博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所，主要从事二维介孔纳米材料的可控制备和微型储能器件的应用研究。目前已在Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci.，Adv. Funct. Mater.，Electrochem. Energy Rev.，Energy Storage Mater.等主流刊物上发表学术论文40余篇，其中第一/共一作者论文共12篇；申请专利7项，其中已授权3项。主持国家自然科学基金1项，参与完成多项国家重点项目等课题。
周锋，中国科学院大连化学物理研究所副研究员，硕士生导师，主要从事二维材料及其电化学能源应用的基础研究，尤其在高质量石墨烯材料的规模化宏量制备与应用转化，以及离子液体在超级电容器和微型电化学能源材料与器件等方面取得了一定的成果，部分成果正在推进产业化。迄今为止，已在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Energy Storage Mater.、Natl. Sci. Rev.、ACS Energy Lett.等期刊发表学术论文40余篇，申请国家发明专利12项，作为项目负责人及横向项目执行人承担基金委、中科院、辽宁省及企业等项目9项。
吴忠帅，中国科学院大连化学物理研究所首席研究员，博士生导师，催化基础国家重点实验室508组组长、国家杰出青年科学基金获得者、英国皇家化学会会士、2018-2022年科睿唯安全球高被引科学家、爱思唯尔“中国高被引学者”、超级电容产业联盟青年工作委员会副主任。主要从事二维材料化学与高效微纳电化学能源的应用基础研究，包括柔性化/微型化储能器件、超级电容器、电池和能源催化。已发表学术论文240余篇，被SCI引用32000余次。获国家自然科学奖二等奖、辽宁省自然科学奖一等奖、第十三届辽宁青年科技奖、卢嘉锡优秀导师奖、中国科学院大学优秀导师奖等。担任Applied Surface Science副主编，J. Energy Chem.执行编委，Editorial Group Member for Natl. Sci. Rev., Energy Storage Mater.、Science Bulletin、科学通报、Nanomaterials、Mater. Res. Express、Physics编委，Interdisciplinary Materials学术编辑，Chin. Chem. Lett.、eScience、物理化学学报青年编委、Engineering通讯专家。担任Adv. Mater.、J. Energy Chem.、Energy Storage Mater.、Energy Environ. Mater.、Chem. Eng. J.、2D Materials、Chin. Chem. Lett.、新型炭材料杂志客座编辑。