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近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)與中國(guó)石油大學(xué)（華東）教授吳明鉑團(tuán)隊(duì)合作，在3D打印石墨烯微型超級(jí)電容器研究方面取得進(jìn)展，開發(fā)出適用于3D打印的高質(zhì)量無(wú)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(jí)電容器。
石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)的性能。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(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有的3D打印石墨烯油墨均涉及氧化石墨烯以及各類添加劑，這降低了器件的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、能量密度，且所需的冷凍輔助打印、還原后處理及冷凍干燥過(guò)程增加了工藝復(fù)雜性和成本，無(wú)法較好地滿足3D打印石墨烯油墨的商業(yè)化應(yīng)用需求。
該研究以電化學(xué)陽(yáng)極剝離的石墨烯、甘油和水為原料，開發(fā)出無(wú)高分子流變劑、性價(jià)比高并具有高魯棒性、環(huán)保性的3D打印石墨烯油墨。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(duì)儲(chǔ)能及其他潛在應(yīng)用領(lǐng)域的不利影響。該團(tuán)隊(duì)以EMIMBF4/PVDF-HFP離子凝膠為準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，提高了3D打印的石墨烯微型超級(jí)電容器的電化學(xué)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，且在3.5V高電壓和100°C高溫下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的循環(huán)性能。此外，為了滿足實(shí)際電子器件對(duì)高工作電壓的要求，該工作實(shí)現(xiàn)了3D打印的單片集成微型超級(jí)電容器的高集成器件數(shù)、高集成密度、高輸出電壓和高電壓密度等。上述成果有望為石墨烯在3D打印領(lǐng)域的商業(yè)化奠定科學(xué)基礎(chǔ)并提供應(yīng)用指導(dǎo)。
相關(guān)研究成果以Electrochemically Exfoliated Graphene Additive-Free Inks for 3D Printing Customizable Monolithic Integrated Micro-Supercapacitors on a Large Scale為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和大連化物所創(chuàng)新基金等的支持。
科學(xué)家實(shí)現(xiàn)3D打印石墨烯微型超級(jí)電容器構(gòu)筑與單片集成
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