成果简介
微型超级电容器（MSC）的简单和可扩展生产对于满足微型电子产品的能源需求至关重要。虽然通过基于溶液的印刷技术制造 MSC 取得了重大进展，但实现高性能 MSC 仍然是一项挑战。本文，北京航空航天大学Youchang Wang等研究人员在《Materials》期刊发表名为“Planar Micro-Supercapacitors with High Power Density Screen-Printed by Aqueous Graphene Conductive Ink”的论文，研究通过丝网印刷具有适当流变特性的水性导电油墨，制备了具有高功率密度的石墨烯基 MSC。
由于石墨烯与分散的炭黑作为连接剂形成的介孔结构所构成的致密导电网络具有高导电率（2.04 × 104 S∙m-1）和低等效串联电阻（46.7Ω），同时由于良好的可印刷性所产生的窄指宽和窄间距（200µm），促使完全印刷的 MSCs 具有高电容（9. 15 mF∙cm-2 ）、能量密度（1.30 µWh∙cm-2 ）和超高功率密度（89.9 mW∙cm-2 ）。值得注意的是，由此产生的 MSCs 可在高达 200 V∙s-1 的扫描速率下有效运行，比传统超级电容器高出两个数量级。此外，这种 MSCs 还具有出色的循环稳定性（10000次循环后容量保持率为 91.6%，库仑效率约为 100%）和非凡的机械性能（5000次弯曲循环后容量保持率为 92.2%），这表明其在柔性可穿戴/便携式电子系统中具有广阔的应用前景。
图文导读
图1.水性石墨烯导电油墨的合成及MSCs的丝网印刷制备.
图2.微观结构和成分表征。
图3.（a） 原始石墨和石墨烯的拉曼光谱和（b） C1s XPS。
图4.（a） 油墨粘度与剪切速率的关系;（b）油墨的触变性;（c）油墨粘度回收率;（d） 储能模量（G′）和损耗模量（G“）随剪应力的变化，其中实心符号和空心符号分别代表G′和G”;（e） 损失系数tan δ随剪应力的变化;（f）通过100 μm光学显微镜开口在PET基材上印刷的油墨细线的光学显微镜图像，从上到下分别对应于Ink-0.25、Ink-0.67、Ink-1.5和Ink-4;（g） 热压前后印刷图案的电导率;（h） 在120°弯曲角度下，印刷图案在1000次重复弯曲周期中相对电阻的变化;（i） 用墨水打印的细线的俯视图 SEM 图像–1.5。
图5. (a) A representative cross-sectional SEM image of MSC. (b) A digital photograph of MSC1000, MSC500, and MSC200.
图6、微型超级电容器的电化学性能
小结
总之，我们开发出了可规模化生产的水性石墨烯导电油墨，该油墨采用砂磨法生产，具有环保和出色的印刷性能，可用于固态柔性微型超级电容器的高分辨率丝网印刷。特别是，这种无需昂贵设备和苛刻后处理的高浓度油墨制备方法具有简单、高效和成本效益高的特点，因此适合采用卷对卷（R2R）工艺，在各种基底上一步印刷高导电图案。通过改变溶剂中乙二醇和乙醇的比例，可以调整石墨烯油墨的流变性，从而获得分辨率约为 100 μm 的均匀图案、2.04 × 104 S∙m-1 的超强导电性以及非凡的机械性能。丝网印刷柔性 MSC 具有 9.15 mF∙cm-2 的高面积电容、1.30 µWh∙cm-2 的面积能量密度和 89.9 mW∙cm-2 的超高面积功率密度。此外，完全印刷的 MSC 表现出持久的性能，在 10,000 次循环后，其电容为初始电容的 91.6%，库仑效率约为 100%，并且具有出色的机械特性，在 5000 次弯曲循环后，其电容仍保持为初始电容的 92.2%。这些结果表明，本文报告的水性石墨烯导电油墨在微型化、高性能、可穿戴/便携式印刷电子产品方面大有可为。
文献：https://doi.org/10.3390/ma17164021
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