Advanced Materials:微尺寸超级电容器

近年来,微型及便携电子设备发展迅速,推动了小体积、可快速充放电、具有超长循环寿命的微尺寸电容器的迅猛发展。目前,微尺寸电容器的面积容量在不断提升,但由于电极材料负载量少、体积容量低,其实际应用仍然受限。常用的微型电容器制备方法通常有光刻法、激光直写/刻蚀、3D打印以及模板法等,尽管近年来进展斐然,但同时也有很多缺点。例如光刻及打印法的制备过程通常比较复杂,能耗高;激光法虽然灵活便捷,但制备的电容器在引入了集流体、基底及外包装后,体积通常会比较大,这种现象在器件的立体串并联过程中尤为严重,大大限制了其在微型电子设备中的应用。因此,发展新的方法来制备容量高、体积小的微尺寸电容器,并且能够实现在空间上的有效集成,就显得尤为重要,但目前仍有很多的问题需要解决。

曲良体教授团队提出了一种自发收缩的器件组装策略,以石墨烯水凝胶为原料,制备出一种具有致密结构的微尺寸超级电容器—CmSC。自发收缩器件组装法制备电容器是以石墨烯水凝胶为原料,首先根据需要将石墨烯水凝胶分割为片状,再以氧化石墨烯(GO)黏浆作为隔膜及粘结剂,将石墨烯水凝胶组装成凝胶/GO/凝胶三明治结构,同时将导电纤维插入到石墨烯凝胶电极材料中作为集流体。在室温常压条件下,水凝胶将自发脱水收缩。脱水过程中,水凝胶内部水与石墨烯片层,以及片层与片层间强的相互作用力导致了石墨烯片的褶皱、堆叠,体系能量不断降低,体积减小。最终,弯曲褶皱带来的角能量大幅度升高,体系整体能量增大,收缩停止。收缩过程中,GO黏浆层受限于上下两面的水凝胶,将随之一起收缩,结果得到致密规整的三明治结构电容器。在此过程中集流体也将被牢固限制在电极材料中,器件结构非常稳定。

该电容器单个器件仅0.0023 cm3,体积容量为68.3 F cm−3,同时具有良好的循环稳定性,经过25000次循环测试后,仍然保持98%的容量。更重要的是,自发收缩器件组装法得到的单个器件可以作为基础模块进行任意、多维的空间集成组装,从而适用于不同的能源体系要求。另外,通过榫卯结构的设计,我们还制备了一种自整合的3D叉指微电容,该结构使得集成器件体积大大降低,从而得到更高的体积容量。自发收缩器件组装法不仅适用于石墨烯凝胶,同时也可用于其他材料体系。该工作为制备高性能、多维度集成的微型电容器及系统提供了一种简便、通用的方法。相关成果发表在Advanced Materials上(DOI:10.1002/adma.201907005)。博士研究生卢冰同学为论文第一作者,曲良体教授为通讯作者。