大连化物所吴忠帅Adv. Funct. Mater.：一步制备石墨烯集成化微型超级电容器

【引言】

微型超级电容器（MSCs）由于具有充放电速率快，功率密度高，循环寿命好等优点，被认为是一种极有竞争力的微型功率源。然而，单个微型超级电容器的输出电压和电流有限，难以满足电子器件的应用需求，因此在实际中通常需要将多个超级电容器进行串联和（或）并联集成来提高电压和（或）电流。近年来纳米材料（石墨烯、MXene、碳纳米管等）的发展和微加工技术（光刻、印刷、激光刻写、光化学还原等）的进步显著提高了超级电容器的性能，并赋予了其丰富的功能性。但是，目前报道的大部分集成化微型储能器件中，其电极材料合成，图案化微电极单体制备和多个微型超级电容器的集成一般由多个分离的步骤构成，大大增加了制作过程的复杂度。因此，需要开发简单高效的集成化微型超级电容器制备方法。

【成果简介】

近日，中国科学院大连化学物理研究所的吴忠帅（通讯作者）等人采用激光热解聚酰亚胺的方法，一步实现了石墨烯电极材料（LIG）的制备、微型超级电容器（LIG-MSCs）单体的构建和多个微型超级电容器的一体化集成。根据不同的实际应用需求，不仅可以对集成化微型超级电容器的形状和大小进行有效调控，而且能够实现任意数量平面微型超级电容器的串并联集成，有效定制工作电压和电流。由于集成化微型超级电容器的集流体、电极和导电连接体组成相同且一步制得，所得器件具有良好的一体性、柔韧性和性能一致性。此外，在离子液体电解液中该器件表现出出色的高温稳定性，可在100 ^oC条件下稳定工作。因此，该工作为简单高效制备高度集成化微型超级电容器提供了新的策略，并拓宽了其潜在应用场景。相关成果以“One-Step Scalable Fabrication of Graphene-Integrated Micro-Supercapacitors with Remarkable Flexibility and Exceptional Performance Uniformity”为题发表在Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图 1 LIG薄膜的制备和表征

（a）不同构型的平面LIG-MSCs的制备示意图；

（b-e）交叉指、同心圆、线形和折叠形的LIG-MSCs的实物图；

（f，g）LIG薄膜的SEM图；

（h，i）LIG的TEM和HRTEM图；

（j，k）LIG和PI薄膜的FTIR图和拉曼光谱图；

（l，m）LIG的XRD图和XPS图。

图 2 PVA/H₃PO₄电解质中，交叉指构型的LIG-MSC的电化学性能和机械柔性

（a）交叉指构型的LIG-MSC的示意图；

（b，c）在5-2000 mV s^-1下，LIG-MSC的CV曲线；

（d）在0.01-0.1 mA cm^-2下，LIG-MSC的GCD曲线；

（e）在0.11 mA cm^-2下，LIG-MSC的循环稳定性；

（f）LIG-MSC的交流阻抗图（插图为高频区的放大图）；

（g）在不同弯曲状态下，交叉指构型的LIG-MSC的实物图；

（h）不同弯曲状态下，LIG-MSC的容量保持率（插图：100 mV s^-1下的CV曲线）。

图 3 不同形状LIG-MSC的设计构建及性能对比

（a）20 mV s^-1下，不同平面构型的LIG-MSC的CV曲线；

（b）20 mV s^-1下，不同平面构型的LIG-MSC的面积比容量；

（c）不同平面构型的LIG-MSC的面电容随扫描速率的变化；

（d）同心圆形LIG-MSCs的串联示意图和实物图；

（e）100 mV s^-1下，不同串联个数同心圆形LIG-MSCs的CV曲线；

（f）64 µA下，不同串联个数同心圆形LIG-MSCs的GCD曲线；

（g）折叠形LIG-MSCs的串联示意图和实物图；

（h）100 mV s^-1下，不同串联个数折叠形LIG-MSCs的CV曲线；

（i）44 µA下，不同串联个数折叠形LIG-MSCs的GCD曲线。

图 4 LIG-MSCs的集成性

（a-c）10S×1P，1S×4P和4S×4P连接的线形平面集成化LIG-MSCs的实物图；

（d）三个交叉指形LIG-MSCs串联为LCD供电的实物图；

（e）200 mV s^-1下，不同串联个数（1、2、3，…，10S×1P）的集成LIG-MSCs的CV曲线；

（f）LIG-MSCs的容量和电压窗口随不同串联个数（1、2、3，…，10S×1P）的变化；

（g）10 µA下，不同串联个数（1、2、3，…，10S×1P）LIG-MSCs的CV曲线；

（h）100 mV s^-1下，不同并联组数（4S×1P到4S×4P）的CV曲线；

（i）100 mV s^-1下，不同并联组数（4S×1P到4S×4P）的容量；

（j）5 µA下，不同并联组数（4S×1P到4S×4P）的GCD曲线。

图 5 在BMIMPF₆-PVDF-HFP的离子凝胶电解质中，线形LIG-MSC的高温（100℃）性能

（a，b）5-500 mV s^-1下，LIG-MSC的CV曲线；

（c）LIG-MSC的倍率性能；

（d）0.1-1 mA cm^-2下，LIG-MSC的GCD曲线；

（e）在0.4 mA cm^-2下，LIG-MSC的循环稳定性；

（f）LIG-MSCs-AE，LIG-MSCs-IL-25，LIG-MSCs-IL-100和已报道MSCs的Ragone图对比。

【小结】

本文采用激光刻写一步实现了从电极材料制备、单个微型超级电容器构建到多个微型超级电容器一体化集成的技术过程，大大简化了集成化微型超级电容器的制作流程，并拓宽了其潜在应用场景，未来有望被用作可穿戴电子、贴片式健康监测器件等多类微电子产品的功率源。

文献链接：One-Step Scalable Fabrication of Graphene-Integrated Micro-Supercapacitors with Remarkable Flexibility and Exceptional Performance Uniformity（Advanced Functional Materials, 2019, DOI: 10.1002/adfm.201902860）。

【团队简介】：

吴忠帅，中国科学院大连化学物理研究所首席研究员、二维材料与能源器件研究组组长、博士生导师、国家青年千人计划入选者。主要从事石墨烯等二维材料制备、结构设计及其微纳能源器件方面工作，具体包括柔性化、微型化平面储能器件、超级电容器、高比能电池（锂/硫/固态电池）以及新型电池（钠/钾/铝离子）。已在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.等杂志发表学术论文100余篇，其中影响因子大于10的论文58篇，被SCI引用18600余次；24篇论文入选ESI高被引论文，其中一篇论文入选“2006-2016近十年中国十大高被引论文”；获2018和2019年全球高被引科学家（Clarivate Analytics），2019年度“Publons同行评议奖”-全球顶尖审稿人（1%）；承担科技部、中组部、基金委、中科院、辽宁省等23个科研项目。获得国家自然科学奖二等奖、辽宁省自然科学奖一等奖、辽宁省“百千万人才工程”-百人计划、中科院百人计划终期评估优秀（2019），辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才等奖项或荣誉。担任J. Energy Chem.执行编辑、Adv. Mater.客座编辑、Energy Storage Mater.客座编辑和国际编委、J Phys: Energy国际编委等7个杂志多项学术任职。

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