石墨烯基微超级电容器（mSCs）作为微型电子器件的重要微电源，一直是人们研究的热点。然而，在以往报道的方法制备的基于石墨烯的mSCs体系中，由于石墨烯纳米片的π-π堆积，使得石墨烯的大的比表面积没有得到充分的显示。近日，华中科技大学王帅和刘笔锋等人提出了将纸片与选择性真空搅拌相结合，制备致密、柔性、全固态石墨烯水凝胶基微晶硅（GH-mSC）的新方法。GH-mSC的层叠电容值为2.51F/cm3,即使在50000mV/s的高扫描速率下，CV曲线仍保持准矩形。

【引言】

小型电子设备的快速发展促进了对小型化、便携化、可穿戴化、可植入化电源的需求。与传统的超级电容器(SCs)相比，微超级电容器(mSCs)具有功率密度高、充放电速度快、频率响应快、寿命长、成本低、本质安全以及能量密度高等优点，因此受到越来越多的关注。具有双电层电容(EDLC)等结构的碳基材料已广泛应用于碳纳米管(CNT)、活性炭、洋葱状碳、碳化物衍生碳和石墨烯等微晶硅的制备。在各种碳材料中，石墨烯纳米片由于具有较高的理论表面积（2630m2/g）和电导率，成为高性能电极活性材料的理想候选材料。例如，高性能石墨烯SC的开发，如夹心薄膜SC，已经显示出具有优越的频率响应的高功率性能。此外，基于石墨烯的平面内叉指型mSC的特性电容显著增加，并且叉指型mSC的电容比夹层超级电容器大好几倍。然而，由于丝网印刷、旋涂、电泳沉积、逐层组装、激光刻划还原等工艺条件的限制，石墨烯的典型特征，即其较大的比表面积，并未在基于石墨烯的mSCs系统充分表现出来，使得它们的超级电容性能难以达到实际情况。

为避免这一问题，通过氧化石墨烯分散体的一步水热还原可以容易地制备出具有典型三维宏观结构的石墨烯水凝胶(GH)，是制备mSCs的良好选择。本文以三维石墨烯水凝胶（GH）为代表的电极活性材料，银纳米颗粒为集电体，KOH/PVA为电解质凝胶，提出了一种以纸芯片和选择性真空过滤相结合的新型致密、可溶解、全固态的MSCs。

作者主要关心的一个问题是，GH独特的层级结构不仅防止了石墨烯片材的严重再堆积，并且赋予GH以特别高的表面积(基于亚甲基蓝分子吸附，高达1000m2/g)，而且允许电解质在内部和通过网络自由地二用，它缩短了充放电过程中的电解质离子二化路径，有利于GH的电容性能。通过真空蒸镀，银纳米颗粒和GH可以很容易地沉积在形状和尺寸均匀的纸片上。用电解质凝胶包覆后，成功制备了全固态石墨烯基MSCs。值得注意的是，该方法允许在不使用商业超级电容器中经常需要的有机粘合剂、导电添加剂或聚合物分离器的情况下制造mSC，因此离子可以自由地接触活性材料，使其性能提高。研究了mSC的电容性能以及相邻微通道间距和芯片上微通道宽度的关系。此外，芯片上还串联并联了几个mSC以提高输出电位和/或电流。作者提出，这可以通过移除与大型储能设备的复杂互连来潜在地增加电子设备的密度并降低其复杂性。这将为开发紧凑、可穿戴、可植入的器件和纸张分析器件，用于电化学检测开辟新的可能性。

GH-mSC提供0.223mWh/cm3的可接受能量密度和0.024W/cm3的功率密度，这优于电解电容器。此外，GH-mSC具有优异的长时间循环稳定性和良好的灵活性。更重要的是，在纸片上的mSC允许通过简单地在纸的平面或两侧制造几个mSC然后并联或串联连接来容易地放大电容和输出电压。这些特性表明GH-mSC作为电源具有广阔的应用前景。

【图文导读】
  首先，采用传统的光刻技术制备了形状、尺寸和厚度各不相同的纸芯片。在计算机辅助设计（CAD）的帮助下，作者构造了长度和宽度可控（即300，300）的平面内指状微通道。相邻微通道之间的间距可以调节到500μm、300μm、100μm甚至更小。随后，通过将商业用银浆分散在乙酸乙酯中制备的银纳米颗粒悬浮液通过真空变沉积到微通道上，以开发具有高导电性的银集电体。接下来，使用相同的真空度方法将活性电极材料GH沉积到银集电体上。氧化石墨烯(GO)也涂敷在银集电体上(图s1) ,并以NaBH4为基准还原成RGO。最后，将聚合物凝胶电解质KOH/聚乙烯醇(KOH/PVA)滴到纸片上，自然干燥一夜得到石墨烯基mSC。
 
从SEM图像可以看出，GH具有良好脱附和相互连接的三维多孔网络，如其他文献报道的，其孔径范围从几百纳米到几十微米。在TEM图像中，由石墨烯纳米片组装而成的GH表现出石墨烯的褶皱特征和层级孔隙结构，极大地增加了其表面积，促进了凝胶电解质的溶解。图2D-F显示了数字照片，显示了在制造过程中的每个步骤中叉指电极的变化。采用常规光刻技术和CAD技术制备了形状和尺寸各异的裸纸芯片。用银纳米粒子沉积后，排列良好的微通道被银纳米粒子均匀地覆盖，叉指电极的颜色也相应地变灰。涂上GH后，颜色进一步变黑。GH-mSC-500-300的俯视图像与上述变化一致(图2G-I)。从交叉指状电极的横截面光学图像（图2J）中，X光层、银集电层、石墨烯水凝胶层和电解质凝胶层都清晰可见，表明成功地制造了MSC。GH-MSC-500—300的GH、银集流体和固化电解质凝胶层的总厚度约为15μm。石墨烯水凝胶层具有多孔结构，没有电解质凝胶涂层，如图2所示。

【小结】

综上所述，作者展示了一种简单、通用的在纸片上通过选择性真空变制备紧凑、灵活和全固态GH-mSC的方法。GH-mSC具有较高的比电容、优异的长期循环稳定性、良好的柔性和0.223mWh/cm3的表能密度以及0.24W/cm3的功率密度，在储能和转换器件方面具有很大的潜力。更重要的是，在纸芯片上的mSC允许通过简单地在纸的平面或两侧制造几个mSC然后并联或串联连接来容易地放大电容和输出电压。因此，本研究提供了一种简单、通用、可扩展的方法来制造具有良好应用前景的芯片电源。

Yue Dong, Lu Wang, Lin Ban, Wei Du, Xiaojun Feng, Peng Chen, Fei Xiao, Shuai Wang, Bi-Feng Liu, Selective vacuum filtration-induced microelectrode patterning on paper for high-performance planar microsupercapacitor, Journal of Power Sources, 2018, DOI:10.1016/j.jpowsour.2018.06.070


来源：能源学人