研究人员开发出用于可穿戴设备的改进石墨烯微型超级电容器

( Nanowerk Spotlight ) 可穿戴设备（从智能手表到 AR 眼镜）的激增需要更小的机载能源解决方案，这些解决方案可以在不引人注目的情况下提供爆发性的电力。刚性纽扣电池限制了设备的灵活性和人体工程学。领先的微型替代品包括微型超级电容器（MSC），由于高度多孔的电极材料与电解质连接，它可以快速存储和放电能量。

超级电容器的快速充电能力和对重复充电循环的适应能力使其成为电池的补充品。然而，生产设计复杂且具有高性能的 MSC 设备存在困难，因此将 MSC 限制在实验室中。传统的制造技术缺乏适当的精度、灵活性和可扩展性。

现在，中国的研究人员展示了一种突破性的无添加剂 3D 打印工艺，可构建具有前所未有的电化学指标和无缝集成性的复杂石墨烯 MSC。这一进步克服了普遍存在的制造限制，并使片上 MSC 阵列更接近下一波颠覆性可穿戴设备的关键。

该研究结果发表在《Advanced Materials》上（《Electrochemically Exfoliated Graphene Additive Inks for 3D Printing Customizing Monolithic Integrated Micro-Supercapacitors on a Large Scale》）。

EG-MIMSCs 制造示意图。a–c) EG-NaBF 4 + NaI的制备过程演示（红色阴离子：BF 4 -黄色阴离子：I −；蓝色分子：H 2 O）。d–g) 描述 3D 打印 EG-MSC 和 EG-MIMSC 制造过程的插图。h,i) 具有不同叉指形状和 j-l) 晶格结构配置的 EG-MSC 的照片。（经 Wiley-VCH Verlag 许可转载）

石墨烯具有优异的物理性能和大的比表面积，是理想的MSC电极材料。但事实证明，将原始石墨烯分散到可印刷油墨中是很困难的。研究人员经常依靠氧化石墨烯策略，添加各种性能抑制化学品来控制油墨流变性。随后对印刷后化学还原的要求进一步增加了复杂性。

这项新研究首次证明了一种具有卓越印刷适性的无添加剂石墨烯墨水，允许复杂的 MSC 电极结构进行 3D 打印，无需任何冷冻或后处理。这一突破的关键是电化学剥离技术，该技术可生产出具有增强边缘平面暴露的高质量、少层石墨烯片。这些石墨烯纳米片可以分散到简单的甘油/水溶液中，以创建适合基于挤出的 3D 打印的中等粘度墨水。

使用新型墨水进行打印可以构建占地面积超小至 0.025 cm²的 MSC 。纯石墨烯电极具有卓越的电化学性能，包括 4900 mF cm^-2的卓越面积电容和 195.6 F cm^-3的体积电容，超过了大多数其他印刷 MSC。

打印有10层的优化MSC架构实现了前所未有的2.1 mWh cm^-2面积能量密度和22 mWh cm^-3的体积能量密度。测试证明具有出色的循环稳定性，10,000 次循环后电容保持率为 83%。

通过 3D 打印 MSC 阵列，在 5.625 cm² 的面积 内包含 90 个紧密集成的单元，证明了制造的可扩展性。电池之间强大的性能一致性使得能够集成到超过 190 V 的高压电池堆中——这是印刷 MSC 实现的最高输出。该团队打印了每 cm²最多 16 个细胞，显示了定制大型 MSC 组件的潜力。

无添加剂石墨烯 3D 打印提供的可定制性为探索和优化 MSC 设计提供了令人兴奋的机会。研究人员验证了不同架构、无线充电线圈和雪花图案的叉指电极的打印质量。现在可以构建具有集成 MSC 阵列和其他印刷组件的混合设备，以满足芯片实验室生物传感器和柔性显示器等微电子创新的电力需求。

尽管取得了相当大的进展，但无添加剂石墨烯 3D 打印能否实现无处不在的微型超级电容器仍存在问题。常用电解质的相当大的挥发性和易燃性可能会限制其应用。购买用于挤出印刷的专用设备可能会给更广泛的采用带来财务障碍。石墨烯墨水的生产必须以具有成本效益的方式扩大规模。

此外，可实现的印刷分辨率和最小特征尺寸可能尚未达到光刻的水平。超过 100,000 次循环的长期耐用性还需要进一步改进，以实现具有竞争力的商业寿命。未来的工作应该量化每个设备的精确制造成本，并探索减轻某些电解质成分的毒性问题。尽管如此，可观的可定制性和电化学性能的进步显示出赋予创造性 MSC 设计的巨大前景。

真实演示显示 MSC 成功为 42 个 LED 灯显示屏供电。凭借工业级生产的可扩展性，所提出的技术提供了一条最终实现石墨烯 MSC 作为颠覆性微型能量存储解决方案的途径，可用于跨可拉伸电子应用的集成。除了能源存储之外，强大的高分辨率 3D 打印能力为医疗、能源和计算领域中基于石墨烯的设备带来了可能性。

高性能石墨烯 MSC 增材制造的这一突破为满足灵活技术的多样化电力需求打开了大门。3D 打印具有定制几何形状的复杂纯石墨烯电极的能力有助于探索和优化一系列可穿戴设备的设计。超越之前印刷 MSC 报告的卓越电化学指标可实现更小但更持久的能量存储集成。

研究人员指出了潜在的应用范围，从为芯片实验室生物传感器和电子纺织品健康监测仪提供动力，到驱动用于搜索和救援的软机器人。此外，专门的 MSC 架构有朝一日可以发挥扩大电动汽车续航里程的作用。

随着无添加剂 3D 打印解锁了新发现的电极复杂性，现在的关键问题包括：定制的 MSC 几何形状能否带来动态功率调整等功能？这项创新能否实现完全 3D 打印的柔性设备？您有一天会购买定制的石墨烯 MSC 包来满足您的设备的确切电力需求吗？随着增材制造和材料科学之间相互作用的加速，创造性地进一步推动 MSC 实用性的大门不断敞开。