高性能碳基柔性全固态微型超级电容器：用石墨烯杂化墨水喷墨印制
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纳米技术的快速推进极大地促进了免维护微电子器件的发展，比如无线微型传感器、植入式医疗器械、纳米机器人、有源射频识别标签等，并最终刺激了微型储能器件的快速发展。可直接印制在塑料、纸等柔性基底上的二维平面型微型超级电容器（MSCs），因其易于和其它微电子器件相集成，是一类近年来受到广泛关注的微型能量储存器件。常用的传统制备方法有光刻技术、丝网印刷技术、选择浸润诱导法、微流体辅助刻蚀、激光辅助辐照法等等。这些方法具有制备过程复杂、成本高昂、且有毒不环保等缺点。喷墨打印技术是一种相对简单高效且环保的方法，研制符合喷墨打印要求的墨水则成为实现喷墨打印平面型微型超级电容器的关键。
中国科学院合肥物质科学研究院的叶长辉和胡海波课题组制备了由氧化石墨烯（GO,98.0 vol.%）和商用碳素墨水（2.0 vol.%）组成的碳基混合墨水，通过喷墨印刷技术，实现了柔性全固态微型平面型超级电容器的制备。研究发现，少量商用碳素墨水的加入可以有效缓解因溶剂蒸发和后续还原过程导致的氧化石墨烯片团聚问题，其中的碳纳米粒子作为纳米垫片起到分隔氧化石墨烯片的作用。与纯石墨烯墨水制备的器件相比，这种杂化墨水印制的器件（基于无粘合剂的插指状微电极结构），面电容提高了780%。此外，这种器件还表现出极好的柔韧性及循环稳定性，在10000次循环后仍可以达到几乎100%的电容保留。这种全固态器件还可以根据实际使用进行串联和并联，满足特定应用中对电压和电容的要求。此研究成果为石墨烯基杂化墨水在大规模喷墨印刷制备平面型微型超级电容器等一次性能量存储器件中的应用展现了良好的前景。
此工作发表在Nano-Micro Letters期刊第九卷。详情请阅读全文。
链接：http://link.springer.com/article/10.1007/s40820-016-0119-z 【阅读原文】
论文引用信息：
Zhibin Pei, . Haibo Hu . Guojin Liang . Changhui Ye,Carbon-Based Flexible and All-Solid-State Micro-supercapacitors Fabricated by Inkjet Printing with Enhanced Performance.Nano-Micro Lett. (2017) 9:19, http://dx.doi.org/10.1007/s40820-016-0119-z.
【图文阅读】
Fig. 1 a) GO dispersed in water at 2 mg mL-1 as a stable pure GO ink. b) A typical TEM image of the GO sheets. c) Photograph of the asprepared carbon-based hybrid ink. d) A typical TEM image of the graphite carbon nanoparticles dispersed in the commercial pen ink. e) SEM image of the ink-jet printed micro-electrodes. f) Schematic diagram of a symmetric device with 12-interdigital fingers.
Fig. 2 CV curves of MSCs-H, MSCs-P, and MSCs-CNPs at scan rates of: a) 10, b) 100, c) 500, and d) 1000 mV s-1. e) Galvanostatic charge– discharge curves of MSC-H in the voltage range between 0 and 0.8 V at various currents. f) Comparison of areal capacitances of MSCs-H and MSCs-P at the same current.
Fig. 3 Cross-sectional SEM images of the printed micro-electrodes of MSCs: a) MSCs-H, b) MSCs-P. c–e) Cyclic voltammetry curves of MSCsH. f) A linear dependence of the discharge current density on the scan rate up to 5000 mV s-1
Fig. 4 Electrochemical behaviors of 200-MSCs-H, 400-MSCs-H, and 800-MSCs-H: a) cyclic voltammetry at a scan rate of 1000 mV s-1, b) galvanostatic charge–discharge curves in the voltage range between 0 and 0.8 V at a fixed current of 0.1 lA, c) areal capacitance plots, and d Nyquist plots with a frequency loop from 100 kHz to 10 mHz using a perturbation amplitude of 10 mV at the open circuit potential (inset shows an enlarged curve in a high-frequency region).
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