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)品的能源需求至關重要。盡管通過基于溶液的打印技術在制造 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電油墨制備了具有高功率密度的石墨烯基 MSC。高導電率 （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構組成的密集導電網(wǎng)絡，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)中的廣泛應用前景。
Fig 1. 水性石墨烯導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 與剪切應力的函數(shù)關系;（
f） 通過 100 μm 光學顯微鏡開口印刷在 PET 基材上的油墨細線的光學顯微鏡圖像 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電性;（
h） 在 120° 彎曲角度下重復彎曲 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。
相關研究工作由北京航空航天大學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
轉自《石墨烯研究》公眾號
