中科院化物所全石墨烯超級(jí)電容器研究獲新進(jìn)展

　　近日，中科院化物所二維材料與能源器件研究組(DNL21T3組)吳忠?guī)浹芯繂T團(tuán)隊(duì)和包信和院士團(tuán)隊(duì)在柔性化、平面化、集成化的全石墨烯基超級(jí)電容器研究方面取得新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)基底上制造具有任意形狀的超級(jí)電容器及其模塊化集成，相關(guān)的研究成果發(fā)表在A(yíng)CS Nano上(DOI: 10.1021/acsnano.6b08435)。

　　超薄、超輕、柔性化、非常規(guī)形狀微納電子器件的快速發(fā)展，對(duì)與之配套的微納能源系統(tǒng)提出了更高的要求。傳統(tǒng)儲(chǔ)能器件，如鋰離子電池、超級(jí)電容器，形狀單一，尺寸、體積及質(zhì)量較大;還存在電解液泄露、導(dǎo)電添加劑和粘結(jié)劑使用、隔膜較厚等問(wèn)題。同時(shí)，兩個(gè)基底的使用不利于器件機(jī)械柔性改善，不能滿(mǎn)足多樣性、柔性化、多功能化集成電路的要求。因此，需要開(kāi)發(fā)新型儲(chǔ)能器件。

　　該研究團(tuán)隊(duì)提出在一個(gè)基底上構(gòu)筑任意形狀、三明治結(jié)構(gòu)平面超級(jí)電容器的概念。以電化學(xué)剝離石墨烯為電極材料，納米氧化石墨烯為隔膜，在形狀可調(diào)控的掩模版協(xié)助下，通過(guò)逐層噴涂的方式在一個(gè)柔性基底上成功地制造出具有任意形狀、全石墨烯基三明治結(jié)構(gòu)的平面超級(jí)電容器。與傳統(tǒng)柔性器件相比，該電容器不僅具有形狀多樣性，如長(zhǎng)方形、圓形、中空方形、數(shù)字、字母和更復(fù)雜的交叉線(xiàn)性等，還具有較高的體積比容量(280F/cm3)、較高的能量密度(2.9mWh/cm3)和優(yōu)異的機(jī)械柔韌性。在不同的彎曲狀態(tài)下測(cè)試，比容量基本沒(méi)有損失。通過(guò)凝膠電解液覆蓋有效電極面積，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)器件比容量的有效調(diào)控。同時(shí)，該制造方法可適于規(guī)模化生產(chǎn)和自集成化，在不使用傳統(tǒng)金屬導(dǎo)線(xiàn)和接觸體的情況下，實(shí)現(xiàn)多個(gè)器件串、并聯(lián)集成，有效調(diào)控了模塊化電源的輸出電壓和容量。

　　這項(xiàng)工作從材料選取、電極制備、電解液和隔膜選擇、器件組裝與模塊化集成等方面進(jìn)行了創(chuàng)新，也為任意形狀儲(chǔ)能器件的有效構(gòu)筑、生產(chǎn)與集成提供了科學(xué)依據(jù)。