西安交大《Small》：致密石墨烯薄膜中的微裂纹阵列，用于快速离子扩散超级电容器

成果简介

层压石墨烯薄膜由于其高堆积密度和开放式结构，在紧凑型大功率电容储能方面具有巨大的潜力。然而，高功率能力通常受到曲折的跨层离子扩散的限制。本文，西安交通大学李祥明教授团队在《Small》期刊发表名为“Microcrack Arrays in Dense Graphene Films for Fast-Ion-Diffusion Supercapacitors”的论文，研究在石墨烯薄膜中制备了微裂纹阵列作为快速离子扩散通道，将曲折扩散转化为直接扩散，同时保持0.92 g cm-3的高堆积密度。具有优化微裂纹阵列的薄膜的离子扩散系数提高了六倍，体积电容高达221F cm−3（240Fg−1），代表了优化离子扩散向紧凑型储能的关键突破。

这种微裂纹设计对于信号滤波也是有效的。具有30μg cm−2质量负载的微裂纹石墨烯基超级电容器显示出高达200 Hz的特征频率和高达4 V的电压窗口，显示出紧凑、高电容交流（AC）滤波的高前景。此外，利用微裂纹阵列石墨烯超级电容器作为滤波电容器和能量缓冲器，将风力发电机产生的50 Hz交流电过滤并存储为恒定直流电，稳定地为74个LED供电，显示出巨大的实际应用潜力。更重要的是，这种微裂化方法是卷对卷生产的，具有成本效益，并且对于大规模生产具有很高的前景。

图文导读

图1。微裂纹阵列的概念可实现快速传质

图2、卷对卷制备微裂纹阵列

图3、裂纹和未裂纹石墨烯电极电化学性能比较.

图4、微裂纹依赖性的电化学性能

图5、裂解石墨烯基超级电容器的滤波性能

图6、由裂解石墨烯基超级电容器制成的可再生能源转换和存储系统

小结

缩短离子扩散途径对于提高能量存储应用中石墨烯电极的电双层电性能至关重要。因此，通过卷对卷印迹的微裂纹阵列石墨烯薄膜为无粘结剂石墨烯电极设计提供了一条新的途径，以促进离子扩散，同时保持高密度和高电子导电性。这种设计也可能适用于其他2D材料，例如MXene和 MoS2它们也倾向于层压在一起并具有各向异性的离子转移动力学。同样重要的是，这种方法是卷对卷生产的，这在实际应用中非常有前途。

文献：https://doi.org/10.1002/smll.202301533