Drying-Mediated Self-Assembly of Graphene for Inkjet Printing of High-Rate Micro-supercapacitors
Szymon Sollami Delekta, Mika-Matti Laurila, Matti Mäntysalo*, Jiantong Li*
Nano-Micro Lett.(2020)12:40
https://doi.org/10.1007/s40820-020-0368-8
本文亮点
1 基于钝化石墨烯的干法自组装，研制出一种2D微片墨水用于打印具有多种孔洞结构的高分辨图案。
2 新型墨水能够用于打印具有多层非均质材料的3D结构。
3高倍率全固态3D微电容器在1V/s的高扫描倍率下单位电容超过10 mF/cm2。
研究背景
微型及便携电子设备发展迅速，推动了小体积、可快速充放电、具有超长循环寿命的微尺寸电容器的迅猛发展。目前，微尺寸电容器的面积容量在不断提升，但由于电极材料负载量少、体积容量低，其实际应用仍然受限。常用的微型电容器制备方法通常有光刻法、激光直写/刻蚀、3D打印以及模板法等，尽管近年来进展斐然，但同时也有很多缺点。本文作者利用石墨烯的干式自组装特性，利用喷墨打印的方法进行高倍率微电容器的制造。内容简介 高速微电容器(MSCs)的可扩展制造是储能元件片上集成的迫切需要。瑞典皇家理工学院和坦佩雷大学团队借助于2D材料在干燥细小分散液中的过程中的特殊自吸附性能，开发了一种新的钝化石墨烯微粉喷墨印刷技术，可以直接印刷具有3D网络化多孔微结构的微型超级电容器MSC。固态电解质和宏观通孔的存在提供了快速的离子传输路径并提高了器件的倍率能力。在多次印刷过程中，多孔微结构可有效吸收连续印刷的油墨，从而可以完整印刷3D结构的MSC，其中包括多个垂直堆叠的集电器，电极和固态电解质。全固态异构3D MSC具有出色的垂直可扩展性以及较高的面能量密度和功率密度，明显优于通过常规打印技术制造的MSC。图文导读 I 喷墨打印是在设备制造中实施此方法的理想技术，因为它具有处理皮微升甚至飞升级别的微小液滴的能力，可以将液相油墨以任意位置的稀薄图案沉积在各种基材上。在这项工作中，我们使用喷墨打印通过自组装的3D网络微结构轻松地生产石墨烯薄膜/图案。
II 具有GMP电极的MSC可以很容易地印在各种基材上。将金纳米颗粒以指状结构(间隙为200μm)进行印刷以用作集电器，然后将GMP薄膜作为多孔电极印刷在各个印刷层(通道)上，最后使用水凝胶电解质(水分散液聚乙烯醇(PVA)，硫酸和二氧化硅纳米颗粒)顶部滴铸而成，以桥接两个单独的电极，下图中展示不同打印层数薄膜的微观形貌，并给出不同层数材料的面电容，峰值电流密度，阻抗与扫描之间的关系曲线。
IV 由于面积性能是片上MSC的关键指标，因此我们在文章中比较了使用各种先进芯片制造的印刷设备与先进MSC的面积能量密度和功率密度。如图所示，我们的印刷设备已达到与大多数其他设备相当的性能，在约10mW的功率密度下，3冲程器件面能量密度约为1μWh/cm2。然而，许多其他的MSC实际上具有液体电解质的特征，这导致较高的电化学性能，但增加了封装难度。
