西南交大杨维清教授等Small：导电聚合物墨水——助力可穿戴储能器件的大规模制造
当今社会正在阔步迈入物联网时代，而传统的中央供能已经无法满足分布式电子器件的能源需求，因此，开发新一代便携式能源存储装置势在必行。可印刷微型超级电容器（MSCs）能够在受限的空间内提供适中的能量密度和较高的功率密度，可以用作下一代分布式电子器件的功率源。目前，石墨烯墨水和MXene墨水已经被广泛应用于可印刷MSCs的研究。但石墨烯墨水的制备步骤冗繁，且石墨烯材料的双电层储能特性限制了能量密度的提升；MXene墨水则面临空气稳定性较差的窘境。因此，开发廉价且稳定的电极墨水仍然是横亘在学者面前的难题。
近日，西南交通大学杨维清、张海涛教授课题组、美国加州大学洛杉矶分校陈俊教授课题组合作，开发了一种低成本，易制备，空气稳定的导电聚合物墨水，并以此为基础成功印刷了可穿戴微型超级电容器。研究结果表明，通过简单的“组装-分散”策略，可以制备出亲水的聚苯胺/柠檬酸纳米片，这种聚苯胺/柠檬酸纳米片可以进一步分散在超纯水中，从而得到空气稳定的导电聚合物墨水。这种墨水具有较高的电导率（10-2 S/cm）和比电容（386.9 F/g）。利用简单的掩膜版辅助喷涂法，即可实现可穿戴MSCs的大规模、阵列化制备。利用此墨水打印出来的MSCs展现出极高的面电容（96.6 mF/cm2）和体积比电容（26.5 F/cm3）。这一工作可以为下一代可印刷储能设备提供新的思路和可行的解决方案。
图1. “组装-分散”策略制备导电聚合物墨水及可印刷微型超级电容器。
图2. 导电聚合物墨水的表征及印刷图案的展示。
通过在聚苯胺的聚合过程中引入柠檬酸，可以调控聚苯胺的自组装过程得聚苯胺纳米片（单片厚度为17-19 nm）。另一方面，由于亲水性羧酸基团的引入，聚苯胺的亲水性得到进一步提高（接触角从74度降低为44度）。得到的导电聚合物墨水具有良好的普适性，可以成功印刷在打印纸，硅片，Kapton薄膜，不锈钢以及ITO等常见基底上。结合掩膜版辅助喷涂法，可以在柔性PET基底上印刷出大规模MSCs阵列。基于导电聚合物墨水的柔性MSCs展现出极高的面电容（96.6 mF/cm2）和体积比电容（26.5 F/cm3），最高能量密度和最高功率密度分别为2.4 mWh/cm3和756.7 mW/cm3。器件的循环稳定性良好，在10 mA/cm2的充放电电流下循环10000次后，容量保持率为77.1%。力学稳定性测试表明可印刷MSCs能够在复杂的应力环境下稳定工作（器件在0-180度的弯曲范围内能够保持性能稳定，且连续弯曲2000周次后未出现容量衰减）。集成测试表明可印刷MSCs的性能均一，可集成性良好，能够满足不同场景下可穿戴电子器件的能量需求。
图3. 基于导电聚合物墨水的微型超级电容器及其电化学性能。
图4. 微型超级电容器的可集成特性以及可穿戴应用展示。
西南交通大学材料学院博士生储翔为论文的第一作者，西南交通大学材料学院杨维清教授、张海涛副教授，美国加州大学洛杉矶分校陈俊教授为本文的共同通讯作者。
论文信息：
Air-Stable Conductive Polymer Ink for Printed Wearable Micro-Supercapacitors
Xiang Chu, Guorui Chen, Xiao Xiao, Zixing Wang, Tao Yang, Zhong Xu, Haichao Huang, Yihan Wang, Cheng Yan, Ningjun Chen, Haitao Zhang*, Weiqing Yang*, Jun Chen*
https://doi.org/10.1002/smll.202100956
来源：MaterialsViews
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