Energy Technology:光敏印章辅助印模工艺制作以电化学剥离石墨烯为电极的柔性纸基平面集成微超级电容器

近年来,柔性和可穿戴电子产品的快速发展促进了对微型化和可弯曲储能设备的强烈需求。柔性微超级电容器由于具有体积小,功率密度高,超快的充电/放电速率,出色的循环稳定性等优点而受到广泛关注。与其他电极材料相比,石墨烯由于具有高的比表面积,出色的电导率和极高的机械强度而被广泛应用于能量存储。目前主要采用化学氧化剥离方法制备氧化石墨烯,这种方法容易造成石墨烯缺陷,导致部分电性能的损失,而且容易带来安全隐患和环境污染问题。采用电解质离子插入的电化学剥离石墨制备石墨烯片状分散体,可有效减少了对石墨烯结构的损害,具有简单、可靠和环保的特点,易于实现高质量石墨烯的批量制备。相对于聚酰亚胺(PI)薄膜,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜等柔性基材来说,纸张的表面是高度多孔的,有利于电化学能量存储。使用纸张作为柔性基底成本低,并且纸的制造和加工过程较为环保。已有大量研究工作致力于探索电极的图案化处理技术,包括真空蒸发、沉积、光刻、丝网印刷、喷墨印刷、激光印刷等。但是,这些方法要么需要昂贵的设备,要么效率低下,不适合大规模制备平面集成的微型超级电容器。因此,设计和制造新颖的柔性平面集成微超级电容器面临诸多挑战。

受日常使用的闪光泡沫印章的启发,南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院赵江科研组与合作者提出了一种简单且巧妙的激光雕刻闪光泡沫辅助印模技术在纸基材上形成各种复杂的图案电极,制作以电化学剥离石墨烯为电极的柔性微超级电容器。相关结果发表在Energy Technology(DOI: 10.1002/ente.201900664)上。

闪光泡沫是具有数十微米孔径的超微气泡材料,微孔在激光照射的作用下会闭合,可以隔离油性物质的渗透。基于此原理,该团队利用激光雕刻将预先设计的电极图案转移到闪光泡沫上,以形成闪光泡沫辅助的印模。闪光泡沫的未封闭微孔区域吸收了电化学剥离制备的石墨烯材料后,将其压印在纸上,形成纸基石墨烯电极。这种简单、低成本且环境友好的方法可以大规模制备各种图案化电极。该团队设计和制造的微型超级电容器具有良好的电化学特性和机械柔性,在经过10000次的充放电循环后,依然能保持95.8 %的初始容量。这种柔性纸基石墨烯微超级电容器有望应用于柔性可穿戴和便携式电子设备中。