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中科院:石墨烯超级电容器 助力未来柔性电子产品

日期: 2017-08-02
浏览次数: 32

从中国科学院大连化学物理研究所获悉,当今世界,随着现代科技的快速发展,可弯曲式显示屏、电子衬衫和卷屏手机等柔性电子产品概念逐渐从概念产品靠近消费领域,引发了消费者的极大兴趣和期待。而这些柔性化、微型化的智能电子产品的问世,带动了其配套的芯片储能器件的发展,柔性化、微型化、平面化超级电容器应用而生。与传统的储能器件相比,该类型的超级电容器具有轻量化、厚度薄、体积小、高功率密度、长循环寿命和快速频率响应等优点,被认为是集成电子器件重要的微电源储能器件,引起了世界各国的广泛关注。然而,制备柔性化、微型化、平面化超级电容器的工艺通常十分复杂,需要采用光刻蚀、等离子体刻蚀等较为苛刻的技术手段来获取相应的电极。因此,发展一种简单、高效制备高性能柔性化、微型化、平面化超级电容器的方法十分必要。

石墨烯是一种二维的碳材料,2010年的诺贝尔物理学奖将其带入了人们的视线。那么,到底什么是石墨烯呢?简单而言,将有序排列的、蜂窝状、层层堆叠形成的石墨,剥离成单层的薄片时,这种只有一个碳原子厚度的单层石墨就被称为石墨烯。那么石墨烯为什么会有这么大的名声呢?这是因为这种单原子厚度的石墨烯具有独特的、非常规物理化学性质。特别是具有超高的比表面积(2620m2/g)、高的理论比容量(550F/g)、超高的导电性等,因此被广泛的应用于电极材料的研究中。尤其是对于平面化微型超级电容器来说,利用石墨烯作为电极材料能够充分利用石墨烯的优势,不仅能够进一步降低整个器件薄度、减小体积,同时实现了电解液离子的快速迁移,从而实现电荷的高能量存储。与石墨烯相似,黑磷烯是一种新型的二维材料,由于其独特的半导体性质和微观褶皱结构,在光学及电子设备领域中有着广泛的研究基础。而这两种材料的有机结合则使得获得高性能储能材料成为了可能。

近日,中科院大连化物所吴忠帅研究员所带领的二维材料与能源器件研究团队与中科院金属研究所任文才研究员团队合作,在简单、高效制备高性能柔性化、微型化、平面化超级电容器领域开展了系统性的研究工作,相关研究成果发表在《美国化学会-纳米》杂志上。研究团队提出通过简单的掩膜板协助一步过滤法制备出具有二维黑磷烯与石墨烯叠层的复合微电极薄膜,相比于以往的制备手段,这种器件加工策略成本低、能耗低且简单易行,为一步法实现平面型超级电容器复合薄膜的制备工艺提供了新思路。与此同时,研究团队尝试将制备的薄膜电极直接转移到柔性基底上组装成为平面型超级电容器,在电化学测试过程中,该平面型超级电容器在离子液体中表现出较高工作电压(3V)和能量密度(11.6mWh/cm3),远高于商用化电容器。

相比于以往的电容器,该器件在制备过程中无需加入常规的金属集流体、内部互联或接触体,可实现模块化器件的构筑,为平面型超级电容器的有效构筑、生产和集成提供了科学依据。此外,研究团队对该超级电容器的柔性化性能进行电化学测试。测试结果表明,即使在高度弯曲状态下,该平面超级电容器仍能保持良好的性能。该研究成果对于柔性化储能器件在未来的工业化应用提供了前期准备。上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家青年千人计划、辽宁省自然科学基金、博士后基金等项目的资助。

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