天津工业大学–由激光诱导石墨烯电极和具有优异界面润湿性的水凝胶电解质组装的高性能高电容微型超级电容器

在这项工作中，展示了一种简单，合理和新颖的策略，通过激光诱导石墨烯(LIG)微电极和海藻酸钠/聚丙烯酰胺水凝胶电解质浸泡在硫酸溶液(SA/PAAM-H₂SO₄)中来组装微型超级电容器(MSCs)。微电极采用具有多孔结构的导电石墨烯材料，利用激光直写技术对绝缘聚酰亚胺(PI)片进行碳化处理。阐述了电解质良好润湿电极材料对装置性能的重要性。电极与电解液具有良好的相容性和界面接触。具有高离子电导率(574.7 mS cm^-1)的SA/PAAM-H₂SO₄水凝胶电解质也表现出良好的保水性，即使在空气中暴露60 h后也能保持正常。SA/PAAM-H₂SO₄水凝胶制备的LIG-MSCs与PVA/H₂SO₄水凝胶的电容相当。LIG-MSCs具有7.12 mF cm^-2的高面电容和良好的循环稳定性。此外，LIG-MSCs具有优异的机械柔韧性和稳定性能，即使在高度弯曲状态和连续锤击过程中，电容也几乎不受影响。LIG-MSCs可以任意串联和并联，而不需要金属基互连来实现高压和高电容输出。本研究的设计策略旨在为柔性LIG-MSCs的开发提供新的见解。

图1. LIG-MSC 的设计及 LIG 膜的表征。a) 以激光诱导石墨烯 (LIG) 为电极、以 SA/PAAM 基水凝胶为电解质的 LIG-MSC 制造工艺示意图。b) LIG 微电极的 SEM 顶视图。c) 多孔层压结构的放大 SEM 图像。d) LIG 膜的横截面 SEM 图像，厚度约为 50 μm。e) C 的 EDS 映射。f) LIG 膜的拉曼光谱。

图2. a, b) SA/PAAM 水凝胶的 SEM 图像。SA/PAAM 水凝胶在不同变形、c) 拉伸、d) 压缩和恢复下的光学图像。SA/PAAM 水凝胶在 e) 拉伸和 f) 压缩下的应力-应变曲线。

图3. LIG 膜与水的表面接触角测量。（LIG 膜上的一滴液体呈现三边界相）。

图4. LIG薄膜对不同溶液的润湿性。（重复实验五次）a）两种相同浓度的溶液对LIG薄膜的润湿程度：i）1 M KCl溶液，ii）1 M Na₂SO₄溶液。b）不同浓度的H₂SO₄溶液对LIG薄膜的润湿程度。i）1 M H₂SO₄，ii）2 M H₂SO₄，iii）3 M H₂SO₄和iii）5 M H₂SO₄。

图5. LIG-MSCs 在 SA/PAAM-H₂SO₄ 水凝胶电解质中的电化学性能。a、b) 扫描速率为 5–500 mV s^–1 时 LIG-MSCs 的 CVs。(c) LEG-MSC 在 0.08–0.5 mA cm^–2 时的充放电曲线。d) LIG-MSC 10000 次循环前后奈奎斯特图比较。e) LIG-MSCs 的面积电容与扫描速率的关系。f) 在电流密度为 0.2 mA cm^–2时测试的 LIG-MSCs 的循环性能。插图是循环过程中的 GCD 曲线。

图6. 10000 次循环后 SA/PAAM–H₂SO₄–LIG-MSC 薄膜的表征。a) XPS 测量光谱，b) C1s XPS 光谱和 c) O1s XPS 光谱。

图7. a) LIG-MSC 在 0° 至 180° 弯曲角度下的照片。b) 由三个串联 LIG-MSCs 供电的红色 LED灯。c) 50 mV s^–1 下装置以不同角度弯曲的 CV 曲线。d) 0.2 mA cm^–2 下装置以不同角度弯曲的 GCD 曲线。e) 20 mV s^–1 下从 0 到 180° 进行 5000 次弯曲循环测试 LIG-MSCs 的电容保持率；插图显示了初始状态和弯曲 5000 次后的 CV 曲线。f) 扫描速率为 100 mV s^–1 时单个设备和三个串联设备的 CV 曲线。g) 电流密度为 0.2 mA cm^–2 时单个设备和 h) 三个并联和串联设备的 GCD 曲线。

图8. 本研究的 LIG-MSCs 的 Ragone 图，与其他报道的微型超级电容器的值进行了比较。

相关研究成果由天津工业大学分离膜与膜过程国家重点实验室、化学工程与技术学院、天津工业大学沧州研究院Tiantian Liu等人于2024年发表在Journal of Power Sources (https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234307 )上。

原文：High-performance micro supercapacitor assembled by laser-induced graphene electrode and hydrogel electrolyte with excellent interfacial wettability for high capacitance