【儀表網 研發快訊】近日，大連化學物理研究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)