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中科院化物所全石墨烯超级电容器研究获新进展

导读: 近日,中科院化物所二维材料与能源器件研究组(DNL21T3组)吴忠帅研究员团队和包信和院士团队在柔性化、平面化、集成化的全石墨烯基超级电容器研究方面取得新进展,实现了在一个基底上制造具有任意形状的超级电容器及其模块化集成。

近日,中科院化物所二维材料与能源器件研究组(DNL21T3组)吴忠帅研究员团队和包信和院士团队在柔性化、平面化、集成化的全石墨烯基超级电容器研究方面取得新进展,实现了在一个基底上制造具有任意形状的超级电容器及其模块化集成,相关的研究成果发表在ACS Nano上(DOI: 10.1021/acsnano.6b08435)。

中科院化物所全石墨烯超级电容器研究获新进展

超薄、超轻、柔性化、非常规形状微纳电子器件的快速发展,对与之配套的微纳能源系统提出了更高的要求。传统储能器件,如锂离子电池、超级电容器,形状单一,尺寸、体积及质量较大;还存在电解液泄露、导电添加剂和粘结剂使用、隔膜较厚等问题。同时,两个基底的使用不利于器件机械柔性改善,不能满足多样性、柔性化、多功能化集成电路的要求。因此,需要开发新型储能器件。

该研究团队提出在一个基底上构筑任意形状、三明治结构平面超级电容器的概念。以电化学剥离石墨烯为电极材料,纳米氧化石墨烯为隔膜,在形状可调控的掩模版协助下,通过逐层喷涂的方式在一个柔性基底上成功地制造出具有任意形状、全石墨烯基三明治结构的平面超级电容器。与传统柔性器件相比,该电容器不仅具有形状多样性,如长方形、圆形、中空方形、数字、字母和更复杂的交叉线性等,还具有较高的体积比容量(280F/cm3)、较高的能量密度(2.9mWh/cm3)和优异的机械柔韧性。在不同的弯曲状态下测试,比容量基本没有损失。通过凝胶电解液覆盖有效电极面积,可实现对单个器件比容量的有效调控。同时,该制造方法可适于规模化生产和自集成化,在不使用传统金属导线和接触体的情况下,实现多个器件串、并联集成,有效调控了模块化电源的输出电压和容量。

这项工作从材料选取、电极制备、电解液和隔膜选择、器件组装与模块化集成等方面进行了创新,也为任意形状储能器件的有效构筑、生产与集成提供了科学依据。

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