大連化物所吳忠帥Adv. Funct. Mater.：一步制備石墨烯集成化微型超級電容器

【引言】

微型超級電容器（MSCs）由于具有充放電速率快，功率密度高，循環壽命好等優點，被認為是一種極有競爭力的微型功率源。然而，單個微型超級電容器的輸出電壓和電流有限，難以滿足電子器件的應用需求，因此在實際中通常需要將多個超級電容器進行串聯和（或）并聯集成來提高電壓和（或）電流。近年來納米材料（石墨烯、MXene、碳納米管等）的發展和微加工技術（光刻、印刷、激光刻寫、光化學還原等）的進步顯著提高了超級電容器的性能，并賦予了其豐富的功能性。但是，目前報道的大部分集成化微型儲能器件中，其電極材料合成，圖案化微電極單體制備和多個微型超級電容器的集成一般由多個分離的步驟構成，大大增加了制作過程的復雜度。因此，需要開發簡單高效的集成化微型超級電容器制備方法。

【成果簡介】

近日，中國科學院大連化學物理研究所的吳忠帥（通訊作者）等人采用激光熱解聚酰亞胺的方法，一步實現了石墨烯電極材料（LIG）的制備、微型超級電容器（LIG-MSCs）單體的構建和多個微型超級電容器的一體化集成。根據不同的實際應用需求，不僅可以對集成化微型超級電容器的形狀和大小進行有效調控，而且能夠實現任意數量平面微型超級電容器的串并聯集成，有效定制工作電壓和電流。由于集成化微型超級電容器的集流體、電極和導電連接體組成相同且一步制得，所得器件具有良好的一體性、柔韌性和性能一致性。此外，在離子液體電解液中該器件表現出出色的高溫穩定性，可在100 ^oC條件下穩定工作。因此，該工作為簡單高效制備高度集成化微型超級電容器提供了新的策略，并拓寬了其潛在應用場景。相關成果以“One-Step Scalable Fabrication of Graphene-Integrated Micro-Supercapacitors with Remarkable Flexibility and Exceptional Performance Uniformity”為題發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖 1 LIG薄膜的制備和表征

（a）不同構型的平面LIG-MSCs的制備示意圖；

（b-e）交叉指、同心圓、線形和折疊形的LIG-MSCs的實物圖；

（f，g）LIG薄膜的SEM圖；

（h，i）LIG的TEM和HRTEM圖；

（j，k）LIG和PI薄膜的FTIR圖和拉曼光譜圖；

（l，m）LIG的XRD圖和XPS圖。

圖 2 PVA/H₃PO₄電解質中，交叉指構型的LIG-MSC的電化學性能和機械柔性

（a）交叉指構型的LIG-MSC的示意圖；

（b，c）在5-2000 mV s^-1下，LIG-MSC的CV曲線；

（d）在0.01-0.1 mA cm^-2下，LIG-MSC的GCD曲線；

（e）在0.11 mA cm^-2下，LIG-MSC的循環穩定性；

（f）LIG-MSC的交流阻抗圖（插圖為高頻區的放大圖）；

（g）在不同彎曲狀態下，交叉指構型的LIG-MSC的實物圖；

（h）不同彎曲狀態下，LIG-MSC的容量保持率（插圖：100 mV s^-1下的CV曲線）。

圖 3 不同形狀LIG-MSC的設計構建及性能對比

（a）20 mV s^-1下，不同平面構型的LIG-MSC的CV曲線；

（b）20 mV s^-1下，不同平面構型的LIG-MSC的面積比容量；

（c）不同平面構型的LIG-MSC的面電容隨掃描速率的變化；

（d）同心圓形LIG-MSCs的串聯示意圖和實物圖；

（e）100 mV s^-1下，不同串聯個數同心圓形LIG-MSCs的CV曲線；

（f）64 μA下，不同串聯個數同心圓形LIG-MSCs的GCD曲線；

（g）折疊形LIG-MSCs的串聯示意圖和實物圖；

（h）100 mV s^-1下，不同串聯個數折疊形LIG-MSCs的CV曲線；

（i）44 μA下，不同串聯個數折疊形LIG-MSCs的GCD曲線。

圖 4 LIG-MSCs的集成性

（a-c）10S×1P，1S×4P和4S×4P連接的線形平面集成化LIG-MSCs的實物圖；

（d）三個交叉指形LIG-MSCs串聯為LCD供電的實物圖；

（e）200 mV s^-1下，不同串聯個數（1、2、3，…，10S×1P）的集成LIG-MSCs的CV曲線；

（f）LIG-MSCs的容量和電壓窗口隨不同串聯個數（1、2、3，…，10S×1P）的變化；

（g）10 μA下，不同串聯個數（1、2、3，…，10S×1P）LIG-MSCs的CV曲線；

（h）100 mV s^-1下，不同并聯組數（4S×1P到4S×4P）的CV曲線；

（i）100 mV s^-1下，不同并聯組數（4S×1P到4S×4P）的容量；

（j）5 μA下，不同并聯組數（4S×1P到4S×4P）的GCD曲線。

圖 5 在BMIMPF₆-PVDF-HFP的離子凝膠電解質中，線形LIG-MSC的高溫（100℃）性能

（a，b）5-500 mV s^-1下，LIG-MSC的CV曲線；

（c）LIG-MSC的倍率性能；

（d）0.1-1 mA cm^-2下，LIG-MSC的GCD曲線；

（e）在0.4 mA cm^-2下，LIG-MSC的循環穩定性；

（f）LIG-MSCs-AE，LIG-MSCs-IL-25，LIG-MSCs-IL-100和已報道MSCs的Ragone圖對比。

【小結】

本文采用激光刻寫一步實現了從電極材料制備、單個微型超級電容器構建到多個微型超級電容器一體化集成的技術過程，大大簡化了集成化微型超級電容器的制作流程，并拓寬了其潛在應用場景，未來有望被用作可穿戴電子、貼片式健康監測器件等多類微電子產品的功率源。

文獻鏈接：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）。

【團隊簡介】：

吳忠帥，中國科學院大連化學物理研究所首席研究員、二維材料與能源器件研究組組長、博士生導師、國家青年千人計劃入選者。主要從事石墨烯等二維材料制備、結構設計及其微納能源器件方面工作，具體包括柔性化、微型化平面儲能器件、超級電容器、高比能電池（鋰/硫/固態電池）以及新型電池（鈉/鉀/鋁離子）。已在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.等雜志發表學術論文100余篇，其中影響因子大于10的論文58篇，被SCI引用18600余次；24篇論文入選ESI高被引論文，其中一篇論文入選“2006-2016近十年中國十大高被引論文”；獲2018和2019年全球高被引科學家（Clarivate Analytics），2019年度“Publons同行評議獎”-全球頂尖審稿人（1%）；承擔科技部、中組部、基金委、中科院、遼寧省等23個科研項目。獲得國家自然科學獎二等獎、遼寧省自然科學獎一等獎、遼寧省“百千萬人才工程”-百人計劃、中科院百人計劃終期評估優秀（2019），遼寧省“興遼英才計劃”青年拔尖人才等獎項或榮譽。擔任J. Energy Chem.執行編輯、Adv. Mater.客座編輯、Energy Storage Mater.客座編輯和國際編委、J Phys: Energy國際編委等7個雜志多項學術任職。

課題組主頁：http://www.zswu.dicp.ac.cn/

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu，我們會邀請各位老師加入專家群。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。