基于PI的3D叉指电极对称微型电容器的制备及性能

随着物联网的发展,微型化自供电电子产品的快速发展和进一步微型模块化大大刺激了对微尺度的电化学储能装置的迫切需求。在各电化学储能装置中,基于平面图案形状的超级电容器在小型化和集成化等功能性特征上与现代电子产品高度兼容。本工作采用半导体制备技术与电流体喷印技术相结合的方法制备柔性3D叉指电极对称微型电容器,并采用富氧活性炭油墨进行3D喷印,通过调控优化电场强度、线宽、喷印层数等参数,制备3D叉指对称电极,采用电子散射能谱(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、流变仪、电化学工作站以及器件测试系统对材料、浆料以及微型电容器器件进行表征,探究材料以及浆料对3D叉指电容器性能的影响,结果表明:利用半导体和电流体喷印相结合工艺制备的3D叉指微型电容器具有优异的性能,其面积电容可以达到22.3 mF·cm^(-2),此外,通过封装优化,此器件在循环2000周次后可以实现96%的容量保持率。这种简易可控制的3D喷印技术为先进的微型化电化学储能器件提供了一种有效的制备途径。

基于印刷技术制备柔性微型电容器的研究进展

柔性微型超级电容器作为一种新兴的储能器件,具有充放电速度快、功率密度大、循环寿命长等优点,在可穿戴电子设备领域中具有良好的应用前景。为实现柔性显示器、晶体管、射频识别装置及可穿戴设备等柔性电子产品的协同发展,针对微型超级电容器中存在的关键问题,阐述了制备微型超级电容器的凹版印刷法和丝网印刷方法,认为丝网印刷法工艺简单、耗时短、可集成、易实现工业化生产,该技术制备的叉指结构可在有限平面内实现离子转移;针对导电油墨的核心印刷技术,分析了无机系、有机系及复合型导电油墨研究近况,总结了复合型导电油墨制备的微型超级电容器电容特性,对其应用前景进行展望。

织物基微型电容器的柔性储能研究进展

随着便携式电子设备的迅速发展,各类储能设备所占比例逐年上升,人们对其要求也越来越高,微型超级电容器因循环寿命长、充放电速度快等优点受到广泛关注。其中,织物基平面微型超级电容器具有质量轻、可弯曲、可折叠等特点,对发展可穿戴柔性储能设备具有极大意义。文中以织物基微型电容器的柔性储能研究为出发点,概述织物基微型超级电容器,阐述织物基微型超级电容器的组成成分及其结构,探讨二维微型超级电容器的制备方法,并给出微型超级电容器的应用前景。

MXene合成、油墨配制及柔性微型超电容丝网印刷制备——推荐一个综合化学实验

为了促进科教融合,将“MXene合成、油墨配制及柔性微型超电容丝网印刷制备”前沿研究转化为高年级本科生综合化学实验。该实验涉及新材料、新器件及新工艺,将化学、材料、电子及能源学科交叉融合,内蕴思政元素,可以培养学生实践能力、探索精神和创新意识,增强其科技报国之心,最终助力培养化学与材料领域德才兼备的尖端人才。

3D打印制备微型超级电容器的研究进展

微型超级电容器(Micro-Supercapacitors,MSCs)由于高功率密度和易于集成而被认为是极有前途的微型储能器件。但传统超级电容器制造工艺在结构定制上的局限性限制了其性能的进一步提升。3D打印技术因能快速成型地制造任意几何结构的电极和其他组件,以实现理想的电化学性能和简单集成,近年来引起了广泛关注。首先介绍了3D打印技术的分类和技术特点,然后综述了3D打印技术在微型超级电容器中应用的一些最新研究进展,最后对3D打印技术制备微型超级电容器的现有挑战和未来发展方向进行了总结与展望。

在KOH活化的激光诱导石墨烯上沉积MnO_(2)用于柔性平面微型超级电容器

柔性超级电容器具有超高的功率密度和超长的循环寿命,结合其结构的灵活性、轻质和形状多样性的特点,在储能领域具有巨大的应用潜力。发展柔性超级电容器首先要解决柔性电极制备的难题。本研究通过激光直写技术结合KOH活化得到高柔性、高导电性的微孔石墨烯基底,即活化的激光诱导石墨烯(a-LIG),然后用电化学沉积法在其上沉积二氧化锰,成功开发出柔性a-LIG/MnO_(2)电极。在1 mol/L的Na_(2)SO_(4)电解质中,当电流密度为1 mA/cm^(2)时,复合a-LIG/MnO_(2)电极表现出304.61 mF/cm^(2)的高面积比电容。以a-LIG/MnO_(2)为阳极,a-LIG为阴极,PVA/H_(3)PO_(4)为凝胶电解质,组装了柔性非对称超级电容器,在功率密度为260.28μW/cm^(2)时其面积能量密度为2.61μWh/cm^(2),在电流密度为0.2 mA/cm^(2)时其面积比电容为18.82 mF/cm^(2),且5000次循环后电容保持率达到90.28%。此外,柔性a-LIG/MnO_(2)@a-LIG器件在弯曲状态下也表现出优异的电化学性能。这项工作为合理设计高性能的柔性超级电容器电极提供了一种简单和可扩展的方法,并可能为大规模制造平面柔性超级电容器提供新的途径。

石墨烯嵌层碳膜基微型超级电容器的制造及其电化学性能

提出以电子回旋共振低能电子照射技术制备的石墨烯嵌层碳膜为电极构建微型超级电容器,研究了其储能特性。试验结果表明,对于石墨烯嵌层碳膜,在非晶网格中均匀嵌有石墨烯纳晶,碳原子密度为1.67g/cm~3,结构较为疏松,且由于溅射沉积,与集流体具有良好的结合力。通过面对面组装构建的微型超级电容器展现出良好的电化学性能,时间常数仅为3.6ms,当电流密度为0.5mA/cm~2时,单个石墨烯嵌层碳膜电极的体积比电容为3.21F/cm3,能量密度为0.07mW·h/cm~3,功率密度为2.03W/cm~3。

基于聚吡咯微电极的MEMS微型超级电容器的研究

MEMS微能源是指采用微加工技术制作实现能量的获取与转换、存储与释放的微纳器件与系统,而微型超级电容器则是一种基于电化学电容实现储能的微型能量存储器件,可作为能量存储单元在MEMS微电源系统中获得应用。设计制作了一种具有两腔并排式结构的微型聚吡咯超级电容器。该微型超级电容器由微结构,微电极功能薄膜以及酸性电解液构成,其微结构是基于ICP刻蚀等微加工工艺加工实现的,而微电极功能薄膜是通过电化学沉积工艺在集流体表面沉积聚吡咯功能薄膜制备而成的。测试结果表明上述微型超级电容具有6.6mF/cm2的比容量,其能量密度能达到3mJ/cm2。电化学测试结果表明,与纯聚吡咯膜相比,聚吡咯/碳纳米管复合功能薄膜阻抗显著降低,容量明显提高,基于上述复合功能薄膜的微型超级电容器其充放电性能可得到显著改善。

微型超级电容器的电化学阻抗谱分析

为了提高微型超级电容器的电化学性能,对其阻抗谱特性进行分析。通过三电极体系对微型超级电容器进行电化学阻抗谱(EIS)测试以及恒流充放电测试,分析复阻抗平面图及波特(Bode)图,获得内部体系的有用信息,并与传统的宏观超级电容器阻抗谱进行分析比较。在尼奎斯特(Nyquist)图中,高频区的半圆弧较长,等效串联电阻Rs约为5.5Ω,接触电阻Rct约为4Ω,低频区域直线与实轴的夹角θ约为65°,表明微型超级电容器的扩散阻抗较大。在Bode图中,当测试频率达到极限频率时,相角约为70°,说明其电容特性有待进一步提高。在1 A/g电流密度下,测得其比电容为471 F/g,功率密度为588 W/kg,能量密度为16.3 W·h/kg。在电容与频率关系图中,在高频区域,电容接近于0,当频率达到100 Hz(扩散阈值),电容趋于稳定,约为18μF。另外分析了充电电压、氧化石墨烯(GO)质量分数、电解质种类等因素,对微型超级电容器Nyquist图的影响。

石墨烯在平面微型超级电容器中的应用进展与展望

微型超级电容器具有高功率密度和长循环寿命,有望为物联网设备供电。然而,较低的能量密度阻碍了微型超级电容器的实际应用。电极材料是影响微型超级电容器性能的一个重要因素。石墨烯由于具有比表面积大和导电性高等优势,是微型超级电容器的理想电极材料。当石墨烯用于具有平面构型的微型超级电容器时,其二维表面与电解质离子的传输方向平行,有利于提高电极的离子可及性。因此,构建石墨烯基平面微型超级电容器,引起了研究人员的极大兴趣。本文从电极材料设计的角度,总结了平面微型超级电容器用石墨烯和石墨烯基材料的最新研究进展。这些电极材料包括通过化学气相沉积、液相剥离、氧化石墨烯还原、激光诱导和杂原子掺杂方法获得的石墨烯,及石墨烯基复合材料(碳纳米管/石墨烯、过渡金属氧化物/石墨烯、导电聚合物/石墨烯和二维材料/石墨烯)。讨论了石墨烯基平面微型超级电容器面临的挑战和机遇,并展望了未来的研究方向和发展趋势。

电化学阴极剥离制备少层石墨烯及其微型超级电容器

以石墨为原料高效、绿色、低成本制备少层石墨烯,对石墨烯的规模化生产和应用具有非常重要的意义。电化学阴极剥离法是一种高效制备少层石墨烯的方法,但已有的报道均采用有机溶液体系,成本高且不够绿色环保。开发了一种绿色的水溶液电化学剥离方法,在6 mol·L^-1 KOH溶液中,将石墨作为阴极进行快速剥离制备出少层石墨烯。获得的少层石墨烯具有含氧量低[1.27%(质量)]、缺陷少(ID/IG<0.035)、片径尺寸为5~10μm、高电导率(大于200 S·cm^-1)以及良好溶液可加性等特点。基于此,采用叉指型掩模板辅助过滤的方法可以高效制备出图案化石墨烯基平面微电极,在硫酸-聚乙烯醇凝胶电解液中,构筑的准固态微型电容器在没有金属集流体存在的情况下,表现出高扫描速率,达到了100000 mV·s^-1,弛豫时间常数低至24 ms;以1-乙基-3甲基-咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺和双(三氟甲基磺酰基)亚胺锂盐的混合液为电解液,所构建的微型超级电容器的工作电压达4.0 V,体积能量密度为113 mW·h·cm^-3,远高于目前报道的微型超级电容器的电化学性能(<50 mW·h·cm^-3)。

柔性碳材料微型超级电容器的制备与性能分析

为了寻找适合于大规模生产微型超级电容器的低成本碳材料,采用丝网印刷技术制备了还原石墨烯、晶须碳纳米管、多壁碳纳米管微型超级电容器,并对比其方阻、电化学性能和柔性可穿戴性能。结果表明:还原石墨烯、晶须碳纳米管、多壁碳纳米管微型超级电容器印刷电极的方阻分别为496Ω/sq、371Ω/sq、591Ω/sq,面积比电容分别为12.6 mF/cm^(2)、17.6 mF/cm^(2)、21.7 mF/cm^(2),能量密度分别为0.9μWh/cm^(2)、2.4μWh/cm^(2)、1.5μWh/cm^(2),功率密度分别为0.7 mW/cm^(2)、1.0 mW/cm^(2)、0.7 mW/cm^(2)。认为:晶须碳纳米管微型超级电容器表现出良好的柔性可穿戴性能。

棉秆基活性碳材料在柔性微型超级电容器中的应用

生物质碳材料具有高比表面积、轻质、可再生、价格低廉等优势,是一种很有前景的超级电容器的电极材料,随着电子器件的微型化,对储能器件的柔性也提出了一定的要求。为了满足人们对柔性电子器件日益增长的需求,解决储能器件小型化、柔性化等问题,本文利用氢氧化钾活化法,经过高温刻蚀棉花秸秆制备出具有多孔结构的碳材料,并将该材料制备成电极组装成微型超级电容器(MSCs),测试其电学性能。结果表明:当电流密度为0.33mA/cm时,比容量为32mF/cm;弯曲直径在20mm时,弯折2000次后仍有85%的电容保有量。本文以棉花秸秆为原材料制备MSCs的方法简单,且器件具有优异的电化学和机械性能,在未来柔性、小型电子器件领域具有广泛的应用前景。

二维介孔氮掺杂炭/石墨烯纳米片的可控合成及其高性能微型超级电容器

石墨烯基二维介孔材料能够有效耦合石墨烯基底、功能化材料和介孔结构的优势,被认为是一种理想的微型超级电容器电极材料。基于此,本文以苯胺为前驱体,氧化石墨烯为二维导向剂,二氧化硅纳米球为介孔模板,采用双模板界面诱导自组装法制备介孔氮掺杂炭/石墨烯(mNC/G)纳米片,并实现了其介孔孔径的精确调控和电化学性能的优化。研究表明,7 nm孔径的介孔氮掺杂炭/石墨烯(mNC/G-7)展现出267 F g^(−1)的高比电容,且应用于准固态平面微型超级电容器表现出21.0 F cm^(−3)的体积比电容和1.9 mWh cm^(−3)的体积能量密度,证明了该二维介孔氮掺杂炭/石墨烯纳米片在微型超级电容器应用方面具有良好的前景。

基于MXene气凝胶的微型超级电容器

刻蚀Ti_(3)AlC_(2) MAX相陶瓷粉末得到单层和少层的Ti_(3)C_(2)Tx MXene纳米片,通过低温(-50℃)冷冻干燥,制备了具有多孔结构的Ti_(3)C_(2)Tx气凝胶(Ti_(3)C_(2)Tx aerogel)。利用光刻胶技术,在滤纸上刻出叉指状电极阵列,然后以Ti_(3)C_(2)Tx气凝胶为电极活性物质构建了全固态微型超级电容器(mSC)。电化学测试表明,当电流密度为0.5 mA/cm^(2)时,基于Ti_(3)C_(2)Tx气凝胶的微型超级电容器的面积电容达到77.90 mF/cm^(2),是相同条件下纯Ti3C2Tx MXene微型超级电容器的4.17倍。功率密度和能量密度分别为0.29 W/cm^(3)和9.89(mW·h)/cm^(3),循环1000次电容保持率为91.6%。因此,该高性能的微型超级电容器在柔性微电子器件中显示出巨大的应用潜力。

MEMS用新型微型超级电容器的制造及性能分析

采用微加工工艺为MEMS制作了一种基于电化学赝电容原理储能的微型能量存储器件——新型微型超级电容器。通过光刻、感应耦合等离子体刻蚀和溅射等MEMS微加工工艺制作了硅基3D微电极阵列，并在其表面用阴极电沉积法制备了氧化钌功能薄膜。采用循环伏安法和交流阻抗法研究了3D微电极的性能，系统比较了3D微电极与平面微电极的电化学性能，测试结果表明3D微电极的比电容达1．57F·cm^-2。基于三维微电极阵列阳极和钌钛金属氧化物阴极组装了微型超级电容器，恒流充放电测试结果表明该电容器的比容量达0．73F·cm^-2，比功率达0．50mW·cm^-2，比能量达0．36J·cm^-2。

MXene基微型超级电容器的设计与组装策略

便携式、可穿戴、智能化电子设备的迅速崛起,对现有储能设备提出了更高的要求。微型超级电容器作为一种新型、高性能的储能器件,具有小型化、高安全性、易集成化等特点,满足微型化电子设备的需求。MXene是一种新兴的二维材料,具有高容量、高导电性等特征,被认为是微型超级电容器的理想候选材料。综述了近年来MXene基微型超级电容器的设计与组装的研究进展。首先综述了微型MXene电极的构建策略,并且总结其电化学性能。此外,还致力于批判性分析MXene基微型超级电容器的现状,并在此基础上预测其未来的挑战、前景和机遇。

石墨烯基微型超级电容器的制备及其性能研究

以超支化聚乙烯-g-聚甲基丙烯酸甲酯(HBPE-g-PMMA)共聚物为稳定剂,在氯仿中借助超声实现天然石墨片层剥离,获得石墨烯分散液,经真空抽滤制得石墨烯薄膜,进一步通过“刮擦法”制得一系列不同膜厚的石墨烯基微型超级电容器(G-MSCs)。通过紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和原子力显微镜(AFM)对所得石墨烯进行了表征,并对所得G-MSCs的电化学性能进行了评价。研究发现:HBPE-g-PMMA可有效促进天然石墨在氯仿中剥离,获得结构缺陷少、分散稳定的寡层石墨烯分散液;所得G-MSCs呈现典型的双电层电容行为,随石墨烯膜片厚度增加,G-MSCs的电容值随之增大;对应于扫描速率5 mV/s,膜厚为19μm的G-MSCs的电容值可达3.6 mF/cm^2;同时,所得G-MSCs显示出较好的电化学稳定性。

平面微型超级电容器石墨烯电极制备与表征

为了研究化学气相沉积法(CVD)制备石墨烯电极性能,通过对CVD工艺参数的改进,成功地制备出了符合全固态平面微型超级电容器离子传输机制所需要的石墨烯薄膜电极。对比相同生长时间,不同甲烷浓度的石墨烯薄膜的性能;对比相同甲烷浓度,不同生长时间的石墨烯薄膜性能。结果表明,温度1 000℃、甲烷流量35 sccm、氢气流量10 sccm、生长时间60 min时,制备出的石墨烯薄膜质量和性能最好。此时石墨烯薄膜具有较低的薄膜方阻(60.28Ω/sq-155.75Ω/sq),厚度为1.25 nm。为平面微型超级电容器的进一步研究提供了重要参考。