微型超級電容器 （MSC） 的簡單且可擴展的生產(chǎn)對于滿足微型電子產(chǎn)品的能源需求至關(guān)重要。盡管通過基于溶液的打印技術(shù)在制造 MSC 方面取得了重大進展，但實現(xiàn)高性能 MSC 仍然是一個挑戰(zhàn)。在本文中，通過絲網(wǎng)印刷具有適當流變特性的水性導(dǎo)電油墨制備了具有高功率密度的石墨烯基 MSC。高導(dǎo)電率 （2.04 ×10
4 S?m
-1） 和低等效串聯(lián)電阻 （46.7 Ω） 得益于由石墨烯形成的介孔結(jié)構(gòu)組成的密集導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，炭黑作為連接劑分散，以及源自優(yōu)異可印刷性的窄指寬和間隙 （200 μm），促使全印刷 MSC 提供高電容 （9.15 mF?cm
-2）， 能量密度 （1.30 μWh?cm
−2） 和超高功率密度 （89.9 mW?cm
−2）。值得注意的是，所得的 MSC 可以在高達 200 V?s
−1 的掃描速率下有效工作，這比傳統(tǒng)的超級電容器高出兩個數(shù)量級。此外，MSC 表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（10,000 次循環(huán)后 91.6% 的容量保持率和 ~100% 的庫侖效率）和非凡的機械性能（5000 次彎曲循環(huán)后 92.2% 的容量保持率），表明它們在柔性可穿戴/便攜式電子系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用前景。
Fig 1. 水性石墨烯導(dǎo)電油墨的示意圖合成和 MSC 的絲網(wǎng)印刷制備。
Fig 2. （
a） 剝離前原始石墨的 SEM 圖像。（
b） 幾個堆疊石墨烯納米片的 TEM 圖像。（
c） 石墨烯的典型 AFM 圖像。（
d） 石墨烯剝離后的 SEM 圖像。（
e） （
b） 中矩形區(qū)域的 HRTEM 圖像。石墨烯的 （
f） 厚度分布和 （
g） 面積分布的直方圖。
Fig 3. 原始石墨和石墨烯的 （
a） 拉曼光譜和 （
b） C1s XPS。
Fig 4. （
a） 油墨粘度與剪切速率的關(guān)系;（
b） 墨水的觸變性;（
c） 油墨粘度的回收百分比;（
d） 儲能模量 （G′） 和損耗模量 （G“） 隨剪切應(yīng)力的變化，其中實心和空心符號分別代表 G′ 和 G”;（
e） 損失系數(shù) tan δ 與剪切應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系;（
f） 通過 100 μm 光學(xué)顯微鏡開口印刷在 PET 基材上的油墨細線的光學(xué)顯微鏡圖像 油墨通過 PET 基材上的絲網(wǎng)開口印刷的細線圖像，從上到下分別對應(yīng)于油墨 0.25、油墨 0.67、油墨 1.5 和油墨 4;（
g） 熱壓前后印刷圖案的導(dǎo)電性;（
h） 在 120° 彎曲角度下重復(fù)彎曲 1000 次期間，打印模型的相對電阻變化;（） 使用 Ink-1.5 打印的細線的俯視圖 SEM 圖像。
Fig 5. （
a） MSC 的代表性橫截面 SEM 圖像。（
b） MSC
1000、MSC
500 和 MSC
200 的數(shù)碼照片。
Fig 6. （
a-f）MSC
200 在 0.01、0.1、1、10、100 和 200 V?s
−1 不同掃描速率下的 CV 曲線。（
g） MSC
200 的放電電流密度隨掃描速率的變化而變化。（
h） MSC
200、MSC
500 和 MSC
1000 的奈奎斯特圖。（） 三個 MSC 的阻抗相位角的關(guān)系隨頻率而變化。
Fig 7. （
a） 0.05–0.4 mA?cm
-2 和 （
b） 0.5-1.0 mA?cm
-2 不同電流密度下的 GCD 曲線。（
c） 電流密度為 0.05–1.0 mA?cm
−2 的三種 MSC 的面電容。（
d） 本研究與其他報道的印刷 MSC 的面積比電容比較。（
e） MSC
200 在 0.5 mA?cm
-2 電流密度下的循環(huán)性能。（
f） 能量密度和功率密度的 Ragone 圖。（
g） MSC
200 在不同彎曲角度下的照片。（
h） MSC
200 在 5000 次彎曲循環(huán)中的電容保持率。插圖：使用 200 mV?s
−1 的掃描速率在不同彎曲角度下獲得的 CV 曲線。
相關(guān)研究工作由北京航空航天大學(xué)Zhigang Shen等人于2024年共同發(fā)表在《Materials》期刊上，Planar Micro-Supercapacitors with High Power Density Screen-Printed by Aqueous Graphene Conductive Ink，原文鏈接：https://doi.org/10.3390/ma17164021
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
