近日, 中國科學院大連化學物理研究所二維材料與能源器件研究組研究員吳忠帥, 與中科院院士包信和合作, 在新概念, 平面化, 自整合的石墨烯基超級電容器研究中取得新進展, 率先提出採用噴塗方法高效製備出具有高電壓輸出的石墨烯基線形串聯超級電容器, 相關成果發表在Advanced Materials上.
微型化, 柔性化電子器件的快速發展, 刺激了人們對微型儲能器件的需求. 傳統單個超級電容器存在輸出電壓較低 (水系中<1.0V) , 多个非平面储能器件串联时加工步骤复杂且需要借助金属连接体, 这降低了超级电容器的模块化集成性和机械柔韧性, 很难满足未来电子器件对高电压实际场景的应用需求. 因此, 急需发展创新的器件构型和规模化的器件制造方法, 实现高效制备具有高电压输出的新型储能器件的目的.
研究團隊使用電化學剝離石墨烯和導電聚合物PH1000 (聚3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸) 的混合分散液作為高導電墨水, 在掩模板的輔助下, 採用噴塗的方法在A4紙上製備出由十個線形器件自串聯整合的平面超級電容器模組, 所得器件具有良好的機械柔韌性, 在水系電解液中可穩定輸出8V的高電壓, 且無需藉助於金屬連接體. 為提高單個器件的比容量, 使用高容量的聚苯胺功能化的石墨烯作為電極材料, 同樣製造出的線形串聯超級電容器, 具有高的贗電容且保持了良好的串聯行為. 為進一步提高單個器件的輸出電壓, 選擇二氧化錳納米片和電化學剝離石墨烯兩種二維材料, 分別作為超級電容器的正負極, 在一個基底上製造出了不對稱的線形串聯超級電容器, 使輸出電壓由單個不對稱超級電容器的1.8V拓展到3個線形串聯超級電容器的5.4V, 進一步提高器件的輸出電壓和能量密度. 研究表明, 石墨烯和其它二維材料在製造具有對稱和不對稱結構的線形串聯超級電容器中具有廣泛的適用性, 並為製造平面化, 柔性化, 整合化儲能器件提供了新策略.
研究工作得到了國家自然科學基金, 國家重點研發計劃, 國家青年千人計劃, 遼寧省自然科學基金, 大連化物所知識創新工程, 延長石油探索性科研項目等的資助.
