快速简单制备的具有高能量密度的柔性微型超级电容器

amt-chenjun随着柔性、可穿戴电子器件的飞速发展,柔性微型能源储存装置受到了广泛关注。其中,超级电容器因其结构简单、制作方便、高功率密度、快速充放电、以及循环寿命长等优点,成为了微型柔性能源储存器件的研究重点。传统的柔性超级电容器结构(两个薄膜电极由固体电解液分隔开从而形成一种三明治结构),由于单位体积内所储存的能量有限,已不能满足微型电子器件的要求。一种新颖的具有插指电极结构的微型超级电容器是目前的研究热点。这种结构可以提供更好的电极材料/电解液的界面,增大离子可接触到的活性比表面积,促进离子渗透,在有限的空间内为电子器件提供更高的能量和功率。另外,这种平面构造还容易实现不同器件之间的连接,从而避免多余且繁杂的连接线。但是,和其他微型电子器件相似,制作该种插指微型超级电容器所使用的传统图案加工工艺(如光刻蚀)复杂、昂贵,极大地限制了其工业化发展。

基于以上问题,澳大利亚伍伦贡大学(University of Wollongong) 陈俊 (Jun Chen) 副教授课题组,与迪肯大学 (Deakin University) Joselito M. Razal 副教授、郑州大学许群教授、西南大学翁博副教授课题组密切合作,设计出一种简单快速的‘激光刻蚀’方法,来制备出具有高能量密度的graphene-PEDOT/PSS基的柔性微型超级电容器。他们利用高精度先进激光刻蚀技术,在柔性的rGO-PEDOT/PSS薄膜上通过选择性刻蚀电极材料得到完整的插指电极图案;在插指电极表面涂覆固态电解液之后,即可得到柔性微型超级电容器器件。该种激光刻蚀方法简单快速,可在100秒内迅速得到10个完整的电极图案。该方法具有操控灵活的优点,只需在配套的电脑软件中改变刻蚀路线,便可轻易改变插指电极的形状和尺寸(如单个插指电极的长度、宽度、以及相邻插指电极之间的距离);该方法还可以通过调节不同的激光强度和扫描速度,来实现对刻蚀深度的控制,因此可应用于刻蚀不同厚度的薄膜材料;另外,该方法还可以通过激光刻蚀出多个电容器器件的连接线来实现多个器件间在同一基底上的串并联连接,从而满足不同电子器件对电流或电压的需求。作者通过改变以上各种参数,优化了单个柔性微型超级电容器的性能;并通过串并联12个器件,制作了可戴在手腕上的能点亮20个LED灯器件,证明了其实用价值。

激光刻蚀技术目前已经在金属制造业中得到应用,并因其成本低、可应用范围广,加工精度高而受到广泛关注了。本研究通过使用激光刻蚀技术制备微纳米超级电容器,将激光刻蚀技术的应用范围扩展到微纳米器件加工领域,并为大规模商业化生产微型超级电容器提供了方向。由于激光刻蚀技术对微纳米图案的加工具有高度的可控性,我们期待该技术可以应用于不同薄膜材料(包括聚合物、碳材料、金属基材料)的微纳米加工领域,并用于制备各种可穿戴器件,如无线射频识别标签(RFID Tag)、生物传感器(Bio-sensor)、太阳能电池(Solar cell)等,从而推动可穿戴电子器件的大规模工业化生产。相关研究工作发表在近期出版的Advanced Materials Technologies上(DOI:10.1002/admt.201600166)上。

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