10.24 AFM：激光刻寫一步法制備集成化柔性微型超級電容器

▲第一作者：師曉宇；通訊作者：吳忠帥

通訊單位：中國科學院大連化學物理研究所

論文DOI：10.1002/adfm.201902860

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採用激光熱解聚酰亞胺製備圖案化石墨烯薄膜的方法，一步實現了超級電容器電極材料的製備，單體的構建和多個超級電容器的自集成，大大簡化了製作流程，顯著提高了集成化超級電容器的整體性、機械柔性和性能一致性。此外，該超級電容器在離子液體電解液中表現出了優異的高溫（100 ℃）穩定性。

背景介紹

微型化、柔性化電子器件的快速發展，極大刺激了人們對微型儲能器件的需求。微型超級電容器由於具有充放電速率快，功率密度高，循環壽命好等優點，被認為是一種極有競爭力的微型功率源。然而，單個微型超級電容器的輸出電壓和電流有限，難以滿足電子器件的應用需求，因此在實際中通常需要將多個超級電容器進行串聯和（或）並聯集成來提高電壓和（或）電流。

近年來石墨烯等納米材料的發展和微加工技術的進步顯著提高了微型超級電容器的性能，並賦予了其豐富的功能性。然而，電極材料合成，微型超級電容器單體制備和多個器件單體的集成一般需要多個分離的步驟，極大增加了過程的複雜度。因此，急需開發簡單高效的集成化微型超級電容器製備方法。

本文亮點

採用激光熱解聚酰亞胺製備圖案化石墨烯薄膜的方法，一步實現了超級電容器電極材料的製備，單體的構建和多個超級電容器的自集成，大大簡化了製作流程，顯著提高了集成器件的整體性。根據不同的實際應用需求，不僅可以對集成化微型超級電容器的形狀和大小進行有效調控，而且能夠實現任意數量平面微型超級電容器的串並聯集成，能夠有效定製輸出電壓和電流。

由於集成化超級電容器的集流體、電極和連接體組成相同且一步製得，所獲得的器件具有良好的一體性、柔韌性和性能一致性。此外，在離子液體電解液中該器件表現出優異的高溫性能，可在 100 ℃ 下穩定工作。

圖文解析

在電腦控制下，使用波長 450 nm 的藍紫色激光對聚酰亞胺薄膜進行熱解，高效獲得具有高導電性、三維交聯多孔的石墨烯薄膜（LIG）。通過對激光刻畫路徑的設計，製備出具有不同圖案化微電極的微型超級電容器（交叉指、同心圓、線形、摺疊形）和高度自集成的微型超級電容器模塊（LIG-MSCs）。其中，石墨烯薄膜材料製備、圖案化微電極單體的構建和多個微型超級電容器之間的集成多個步驟實現一步高效完成。

▲圖1. LIG-MSCs 製備示意圖；不同形狀 LIG-MSCs 照片；LIG 的表徵。

所得的集成化微型超級電容器（10S×1P、1S×4P、4S×4P，分別代表 10 個微型超級電容器串聯、4 個並聯、4 個串聯為一組 4 組並聯的器件）均表現出了接近理想的雙電層電容行為。例如，LIG-MSCs（10S×1P）的電壓窗口為 8 V，是單個器件的十倍，而且隨串聯個數的增加，恆流充放電時間幾乎不變；LIG-MSCs（4S×4P）的電壓窗口為 3.2 V，且容量隨並聯組數近似線性增長，表明 LIG-MSCs 具有理想的串並聯行為和出色的性能一致性。

▲圖2. 集成化 LIG-MSCs 的照片、應用展示及電化學性能。

由於聚酰亞胺基底、石墨烯電極的耐高溫性，文中使用高溫穩定的離子液體凝膠作為電解液（BMIMPF₆-PVDF-HFP）的 LIG-MSCs 在 100 ℃ 下可以穩定工作，3000 個循環後仍有 90 % 的容量保持率，拓展了 LIG-MSCs 的潛在應用場景。

▲圖3. 以離子液體為電解液，LIG-MSCs在100 ℃下的電化學性能。

總結與展望

該工作採用激光刻寫一步實現了從電極材料製備、單個微型超級電容器構建到多個微型超級電容器集成一體化的技術過程，大大簡化了集成化微型超級電容器的製作流程，並拓寬了其潛在應用場景，未來有望被用作可穿戴電子、貼片式健康監測器件等多類微電子產品的功率源。

吳忠帥，中國科學院大連化學物理研究所首席研究員、二維材料與能源器件研究組組長、博士生導師、國家青年千人計劃入選者（2015）。主要從事石墨烯等二維材料製備、結構設計及其微納能源器件方面工作，具體包括柔性化、微型化平面儲能器件、超級電容器、高比能電池（鋰/硫/固態電池）以及新型電池（鈉/鉀/鋁離子）。

已在

Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.等雜誌發表學術論文 100 餘篇，其中影響因子大於 10 的論文 58 篇，被 SCI 引用 18600 餘次；24 篇論文入選 ESI 高被引論文，其中一篇論文入選“2006-2016近十年中國十大高被引論文”；獲 2018 和 2019 年全球高被引科學家（Clarivate Analytics），2019 年度“Publons 同行評議獎”-全球頂尖審稿人（1 %）；承擔科技部、中組部、基金委、遼寧省等 23 個科研項目。

獲得國家自然科學獎二等獎、遼寧省自然科學獎一等獎、遼寧省“百千萬人才工程”-百人計劃、中科院百人計劃終期評估優秀（2019），遼寧省“興遼英才計劃”青年拔尖人才等獎項或榮譽。擔任 J. Energy Chem. 客座編輯和執行編輯、Adv. Mater. 客座編輯、Energy Storage Mater. 客座編輯和國際編委等 7 個雜誌多項學術任職。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201902860

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