中科院大連物化所石墨烯柔性超級電容器研究取得新進(jìn)展

　　近年來，隨著高度集成化、輕量便攜化、可穿戴式、可植入式等新概念，特別是柔性化電子產(chǎn)品概念的不斷提出，迫切需要開發(fā)與其高度兼容的具有高儲能密度、柔性化、功能集成化的微型儲能器件。

　　為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該研究團(tuán)隊(duì)在前期研究中將甲烷等離子體還原技術(shù)和光刻微加工技術(shù)相結(jié)合，成功制備出石墨烯基高功率平面微型超級電容器(Nat.Commun.2013，DOI：10.1038/ncomms 3487);采用層層自組裝氧化石墨烯與多聚賴氨酸，并在層間插入硼酸，經(jīng)高溫處理獲得氮硼共摻雜的石墨烯薄膜應(yīng)用于高體電容和倍率性能的微型超級電容器(Adv.Mater.2014，DOI：10.1002/adma.201401228);利用交替堆疊的方法制備出高致密、高導(dǎo)電性聚合物/石墨烯、活化石墨烯/石墨烯薄膜材料，應(yīng)用于高比能量微型柔性超級電容器(Adv.Mater.2015，DOI：10.1002/adma.201501643);利用噴涂方法制備出石墨烯導(dǎo)電聚合物(PEDOT：PSS)薄膜，應(yīng)用于超薄、可打印、且具有交流線性濾波功能的超級電容器(Adv.Mater.2015，DOI：10.1002/adma.201501208)。

　　這些柔性化、微型化超級電容器對于未來的電子器件展現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景(Natl Sci.Rev.2014，DOI：10.1093/nsr/nwt003)。

　　該工作得到了國家青年千人計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、遼寧省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

　　石墨烯基超微型電容器研究的關(guān)鍵問題

　　全石墨烯基微型超級電容器示意圖(a)和光學(xué)照片(b)，從左到右依次為條帶并行型平面超級電容器、同心圓型平面超級電容器、梳子型平面超級電容器、三明治構(gòu)型超級電容器

　　目前石墨烯基微型超級電容器的研究雖有進(jìn)展，但仍處于起始基礎(chǔ)研究階段，仍然有許多問題或挑戰(zhàn)亟待解決。要發(fā)展低成本、高性能石墨烯基微型超級電容器需考慮以下3個(gè)重要方面：

　　(1)石墨烯及其復(fù)合納米材料的低成本、宏量控制制備是從根本上改善微型超級電容器性能的關(guān)鍵.

　　事實(shí)上，石墨烯薄膜的形態(tài)和微結(jié)構(gòu)的可調(diào)節(jié)性，對于改善微型超級電容器的性能非常重要。需要指出的是，為了獲得高性能石墨烯基微型超級電容器，充分理解石墨烯材料的微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能之間的構(gòu)效關(guān)系是絕對必要的?？紤]到二維石墨烯應(yīng)用于微型超級電容器可以顯著提高電解液離子與石墨烯薄膜微電極在水平方向上的相互作用，與其類似的其他二維納米片，如無機(jī)氧化物和硫化物材料(MnO2、TiO2、Co3O4等)，可以用作新型微型超級電容器的電極材料。

　　圖(a~c)激光刻繪石墨烯基微型超級電容器制備過程示意圖;(d，e)在一個(gè)光盤上直接制備出100個(gè)微型超級電容器

　　(2)開發(fā)新的、簡單的、低成本的，以及在任意襯底上可獲得均勻的、導(dǎo)電的、大面積的石墨烯基薄膜制造技術(shù)，是獲得高性能的微型超級電容器的另一個(gè)關(guān)鍵問題。

　　典型的薄膜生產(chǎn)方法包括旋涂、噴涂、真空過濾、電化學(xué)聚合和層層自組裝，其中有些方法可以有效地提高微型器件的性能。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵成膜因素：一個(gè)是要解決與基板表面兼容的石墨烯基材料的可加工性，這對于改善器件性能是不可缺少的;另一個(gè)是薄膜制備技術(shù)的可放大性，即是否可以實(shí)現(xiàn)薄膜高效大面積的生產(chǎn)。在這方面，噴墨印刷、絲網(wǎng)印刷等技術(shù)成本低，并且可以快速地在各種基底材料上大規(guī)模生產(chǎn)不同的薄膜材料，如納米碳、聚合物、氧化物和金屬薄膜。因此，在這種情況下大規(guī)模生產(chǎn)的微型超級電容器將更具市場競爭力和應(yīng)用前景。

　　(3)不同器件部分(包括電極、電極液、隔膜、基底、集流體、以及它們之間的界面)的界面融合和整體優(yōu)化是一個(gè)長期的、挑戰(zhàn)性的課題。

　　小結(jié)

　　石墨烯基微型超級電容器的快速發(fā)展，期望能夠解決現(xiàn)代社會對微量級能源儲存的迫切需要。以石墨烯和其他二維材料為基礎(chǔ)的微型超級電容器有望成為超高能量和功率密度的新型的芯片儲能器件，能夠提供足夠的能量和令人滿意的峰值功率來滿足未來應(yīng)用在小型化的微系統(tǒng)電子設(shè)備的需求。