近日，大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組(508組)吳忠?guī)浹芯繂T團(tuán)隊(duì)和中國石油大學(xué)(華東)吳明鉑教授團(tuán)隊(duì)合作，在3D打印石墨烯微型超級(jí)電容器研究方面取得新進(jìn)展，開發(fā)出一種適用于3D打印的高質(zhì)量無添加劑石墨烯油墨，研制出高集成密度、高輸出電壓和高電壓密度微型超級(jí)電容器。
石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能，因此石墨烯及其油墨在柔性電子器件、熱管理器件、生物材料器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有的3D打印石墨烯油墨都涉及氧化石墨烯以及各類添加劑(包括粘結(jié)劑、增稠劑、表面活性劑、流變性能調(diào)節(jié)劑等)的使用，這不僅降低了器件的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、能量密度，并且所需的冷凍輔助打印、還原后處理及冷凍干燥過程大大增加了工藝復(fù)雜性和成本，不能很好滿足3D打印石墨烯油墨的商業(yè)化應(yīng)用需求。
本工作中，研究團(tuán)隊(duì)以電化學(xué)陽極剝離的石墨烯、甘油及水為原料，開發(fā)出一種無高分子流變劑、性價(jià)比高，具有高魯棒性、環(huán)保性的3D打印石墨烯油墨。由該油墨打印出的微型電極或器件不含高聚物等非活性材料，降低了其對(duì)儲(chǔ)能及其他潛在應(yīng)用領(lǐng)域的不利影響。團(tuán)隊(duì)以EMIMBF4/PVDF-HFP離子凝膠為準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，提高了3D打印的石墨烯微型超級(jí)電容器的電化學(xué)性能，其面積比電容為4900mF/cm2，體積比電容為195.6F/cm3，面積能量密度為2.1mWh/cm2，體積能量密度為23mWh/cm3，并且在3.5V高電壓和100°C高溫下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的循環(huán)性能。此外，為了滿足實(shí)際電子器件(例如微型機(jī)器人、
傳感器)對(duì)高工作電壓(>100V)的要求，團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了3D打印的單片集成微型超級(jí)電容器的高集成器件數(shù)(188個(gè)器件)，高集成密度(單位面積16個(gè)器件)、高輸出電壓(192.5V)和高電壓密度(56V/cm2)等。該工作有望為石墨烯在3D打印領(lǐng)域的商業(yè)化提供科學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用指導(dǎo)。
自2019年以來，508組在3D打印微型電化學(xué)能源材料與器件方面開展了較為系統(tǒng)的研究：設(shè)計(jì)并發(fā)展了3D打印高電壓微型超級(jí)電容器(J. Energy Chem.，2021)，3D打印長壽命鋅離子電容器(Adv. Energy Mater.，2022)，3D打印鈉離子微型電池(Adv. Mater.，2022)，3D打印鋰金屬電池(Energy Storage Mater.，2023)，3D打印定制化電解質(zhì)(Natl. Sci. Rev.，2023)，3D打印可降解微型超級(jí)電容器(ACS Nano.，2023)，3D打印微型超級(jí)電容器與濕度傳感集成系統(tǒng)(Carbon Energy，2024)等，以及應(yīng)邀發(fā)表了3D打印微型電池進(jìn)展綜述(Chem. Sci.，2024)等。
該工作以“Electrochemically Exfoliated Graphene Additive-Free Inks for 3D Printing Customizable Monolithic Integrated Micro-Supercapacitors on a Large Scale”為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上。該工作的第一作者是我所508組與中國石油大學(xué)(華東)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生張龍龍。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、我所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。(文/圖 張龍龍、周鋒)
