成果简介
超级电容器的微型化为制造便携式和可穿戴电子设备提供了一条极具吸引力的途径，但仍存在电容面积有限的问题。本文，青岛科技大学 蒋敏副研究员团队在《J SCI-ADV MATER DEV》期刊发表名为“Fabrication of flexible micro-supercapacitors based on low-oxidized graphene/polyaniline/porous carbon ternary composites with high area capacitance”的论文，研究提出利用一种简便的冲压方法，以含有聚苯胺（PANI）的三元复合材料为图案化间电极材料，制造出柔性纸基微型超级电容器。
三元复合材料由 PANI、金属有机框架衍生多孔碳（C800）和低氧化石墨烯（LGE）组成。得益于 C800 和 LGE 的协同作用，PANI 复合材料的导电性和电容保持率明显提高。所制得的复合材料显示出 162 mF-cm-2 的高电容值、24.9 μWh-cm-2 的显著能量密度、数千次充放电循环后 90% 的电容保持率，以及即使在大角度弯曲时也具有出色的稳定性。
图文导读
方案 1.（a） C800-PANI-LGE复合材料的制备工艺。（b） 以C800-PANI-LGE复合材料为活性材料的纸基全固态MSCs的制备过程示意图。
图1.（a，b） C800、（c，d） PANI、（e，f） C800-PANI、（g，h） PANI-LGE 和 （i，j） C800-PANI-LGE 杂化物的 SEM 图像。（k） （i）中以白点方标记的C800-PANI-LGE杂交种的EDS模式。
图3. (a1-a3) C800、(b1-b3) C800-PANI、(c1-c3) PANI-LGE 和 (d1-d3) C800-PANI-LGE 的 C 1s 光谱、N 1s 光谱和 O 1s 光谱的 XPS 图谱。
图4. (a) 基于 C800、PANI、C800-PANI、PANI-LGE 和 C800-PANI-LGE 材料的 MSC 器件在 10 mVs-1 扫描速率下的 CV 曲线。(b) 基于 C800-PANI-LGE 材料的 MSC 器件在不同扫描速率下的 CV 曲线。PANI（c）、PANI-LGE（d）和 C800-PANI-LGE 材料（e）在不同电流密度下的 GCD 曲线。(f) 基于 C800、PANI、C800-PANI、PANI-LGE 和 C800-PANI-LGE 活性电极的 MSC 的面积电容。(g) 五种样品的电化学阻抗奈奎斯特图（插图为放大图）。(h) 不同样品的 Rs 和 Rct 拟合值比较。插图为相应的等效电路图。
图5. (a) 扫描速率为10 mV∙s-1时基于 C800-PANI-LGE、C800-PANI-LGE-1 和 C800-PANI-LGE-2 的 MSC 的等效电容。(b) 三种 MSC 器件在不同扫描速率下的等效电容。
图6：(a) 在不同扫描速率下使用 CV 测量基于 C800-PANI-LGE 活性电极的 MSC 和其他参考材料的等面积电容。(b) 本研究中基于 C800-PANI-LGE 制成的 MSC 与其他已报道的 MSC 系统的 Ragone 图。
图7. (a) 基于 C800-PANI-LGE 的 MSC 在 3000 次循环中的循环稳定性。插图是在 3 mA∙cm-2 条件下前。5 个循环和后 5 个循环的 GCD 曲线。(b) 基于 C800-PANI-LGE 的 MSC 以不同角度弯曲的 CV 曲线
小结
以 C800-PANI-LGE 三元复合材料为电极材料，在纸基板上成功制备了柔性全固态微型超级电容器。C800-PANI-LGE 复合材料具有 162 mF∙cm-2 的高面积电容，优于其他已报道的基于 PANI 的材料。结果表明，三种成分的协同作用为 C800-PANI-LGE 提供了完美的电容性能。在制备的复合材料中，电容主要由 PANI 成分贡献，LGE 提供了必要的导电性，而 C800 的存在则提高了电容保持率。在功率密度为 1.0 mW∙cm-2 时，所制备的 MSC 器件显示出 24.9 μWh∙cm-2 的高能量密度。它能在三千次循环中保持 90% 的电容率，即使在大角度弯曲时也能表现出卓越的稳定性。这项研究表明，在未来的柔性和可穿戴电子产品应用中，它的实际应用前景十分广阔。
文献：https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2023.100643
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