我所實現3D打印石墨烯微型超級電容器構筑與單片集成

近日，我所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組（508組）吳忠帥研究員團隊和中國石油大學（華東）吳明鉑教授團隊合作，在3D打印石墨烯微型超級電容器研究方面取得新進展，開發出一種適用于3D打印的高質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電容器。

石墨烯具有優異的力學、電學和熱學性能，因此石墨烯及其油墨在柔性電子器件、熱管理器件、生物材料器件等領域具有廣泛的應用前景。然而，現有的3D打印石墨烯油墨都涉及氧化石墨烯以及各類添加劑（包括粘結劑、增稠劑、表面活性劑、流變性能調節劑等）的使用，這不僅降低了器件的導電性、導熱性、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雜性和成本，不能很好滿足3D打印石墨烯油墨的商業化應用需求。

本工作中，研究團隊以電化學陽極剝離的石墨烯、甘油及水為原料，開發出一種無高分子流變劑、性價比高，具有高魯棒性、環保性的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，降低了其對儲能及其他潛在應用領域的不利影響。團隊以EMIMBF4/PVDF-HFP離子凝膠為準固態電解質，提高了3D打印的石墨烯微型超級電容器的電化學性能，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高溫下實現了穩定的循環性能。此外，為了滿足實際電子器件（例如微型機器人、傳感器）對高工作電壓（>100V）的要求，團隊還實現了3D打印的單片集成微型超級電容器的高集成器件數（188個器件），高集成密度（單位面積16個器件）、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打印領域的商業化提供科學基礎與應用指導。

自2019年以來，508組在3D打印微型電化學能源材料與器件方面開展了較為系統的研究：設計并發展了3D打印高電壓微型超級電容器（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（Natl. Sci. Rev.，2023），3D打印可降解微型超級電容器（ACS Nano.，2023），3D打印微型超級電容器與濕度傳感集成系統（Carbon Energy，2024）等，以及應邀發表了3D打印微型電池進展綜述（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，發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。該工作的第一作者是我所508組與中國石油大學（華東）聯合培養碩士研究生張龍龍。上述工作得到了國家自然科學基金、我所創新基金等項目的資助。（文/圖 張龍龍、周鋒）

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202313930