大連化物所：石墨烯基線形串聯超級電容器

【成果簡介】

近日，中國科學院大連化學物理研究所二維材料與能源器件研究組研究員吳忠帥，與中科院院士包信和合作，在新概念、平面化、自集成的石墨烯基超級電容器研究中取得新進展，率先提出采用噴涂方法高效制備出具有高電壓輸出的石墨烯基線形串聯超級電容器，相關成果以“Graphene-Based Linear Tandem Micro-Supercapacitors with Metal-Free Current Collectors and High-Voltage Output”為題發表在Advanced Materials上。研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、國家青年千人計劃、遼寧省自然科學基金、大連化物所知識創新工程、延長石油探索性科研項目等的資助。

【圖文導讀】

圖1 GP-LTMSs的制備和表征

a. GP-LTMSs的制備示意圖；

b. 包含十個串行連接GP-MSs的以紙為基底的GP-LTMSs照片;

c. 在Si晶片上的EG的SEM圖像;

d. EG的原子力顯微鏡（AFM）圖像;

e. EG的高度分布;

f. GP-LTMSs的Topview SEM圖像。

圖2 GP / PANI-G / GP-LTMSs的制備、表征和電化學性能

a. 基于GP / PANI-G / GP基底的LTMSs的制備示意圖；

b. PANI-G的SEM圖像;

c. PANI-G的低倍TEM圖像；

d. PANI-G的高倍TEM圖像;

e. GP / PANI-G / GP-LTMSs處于彎曲狀態時的照片;

f. GP / PANI-G / GP-LTMSs（4個串聯MS）和GP / PANI-G / GP-MSs在掃描速率為50mV s^-1時的CV曲線；

g. GP / PANI-G / GP-LTMSs（4個串聯MS）和GP / PANI-G / GP-MSs在電流密度為為0.3 mA cm ^-2時的GCD曲線。

【研究內容】

微型化、柔性化電子器件的快速發展，刺激了人們對微型儲能器件的需求。傳統單個超級電容器存在輸出電壓較低（水系中<1.0V），多個非平面儲能器件串聯時加工步驟復雜且需要借助金屬連接體，這降低了超級電容器的模塊化集成性和機械柔韌性，很難滿足未來電子器件對高電壓實際場景的應用需求。因此，急需發展創新的器件構型和規模化的器件制造方法，實現高效制備具有高電壓輸出的新型儲能器件的目的。

研究團隊使用電化學剝離石墨烯和導電聚合物PH1000（聚3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸）的混合分散液作為高導電墨水，在掩模板的輔助下，采用噴涂的方法在A4紙上制備出由十個線形器件自串聯集成的平面超級電容器模塊，所得器件具有良好的機械柔韌性，在水系電解液中可穩定輸出8V的高電壓，且無需借助于金屬連接體。為提高單個器件的比容量，使用高容量的聚苯胺功能化的石墨烯作為電極材料，同樣制造出的線形串聯超級電容器，具有高的贗電容且保持了良好的串聯行為。為進一步提高單個器件的輸出電壓，選擇二氧化錳納米片和電化學剝離石墨烯兩種二維材料，分別作為超級電容器的正負極，在一個基底上制造出了不對稱的線形串聯超級電容器，使輸出電壓由單個不對稱超級電容器的1.8V拓展到3個線形串聯超級電容器的5.4V，進一步提高器件的輸出電壓和能量密度。研究表明，石墨烯和其它二維材料在制造具有對稱和不對稱結構的線形串聯超級電容器中具有廣泛的適用性，并為制造平面化、柔性化、集成化儲能器件提供了新策略。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201710/t20171018_4618157.shtml。

文獻鏈接：Graphene-Based Linear Tandem Micro-Supercapacitors with Metal-Free Current Collectors and High-Voltage Output（Advanced Materials，2017，DOI: 10.1002/adma.201703034）

本文由材料人編輯部王冰編輯，點我加入材料人編輯部。

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