3D打印石墨烯/炭黑电极，用于微型超级电容器

摘要：微型超级电容器是微电子领域的重要电源供应商，但其应用却因电荷存储能力低而受到限制。增加电极中活性材料的装载量不仅能提高电荷存储能力，还能增加电极的厚度，而电极的厚度则会限制电解质离子的扩散。本文，西安交通大学李磊教授团队在《ACS Appl. Nano Mat

1成果简介

微型超级电容器是微电子领域的重要电源供应商，但其应用却因电荷存储能力低而受到限制。增加电极中活性材料的装载量不仅能提高电荷存储能力，还能增加电极的厚度，而电极的厚度则会限制电解质离子的扩散。本文，西安交通大学李磊教授团队在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“Printing 3D Array of Electrodes Made of Graphene/Carbon Black for Microsupercapacitors”的论文，研究通过乙基纤维素和炭黑的自牺牲模板，设计并打印了一种三维阵列结构的石墨烯/导电炭黑电极，其特点是具有定制的孔隙率和导电性。

这种电极结构设计提高了活性材料的利用率，使电极与电解质接触良好，并促进了电解质离子向电极的扩散。它们的协同作用大大提高了微型超级电容器的电化学性能，包括 35.75mF cm–2的高电容值、27.71 μWh cm–2 的高能量以及 1.10mW cm–2 的功率密度。单个装置可为压力传感器供电超过 10,000 秒，这凸显了其在实际应用中的巨大潜力。这项工作将有利于微型超级电容器的开发。

2图文导读

方案1.GC 墨水制备和微型超级电容器制备示意图。

图1.3D 阵列结构电极的形态学表征。

图2. (a) Real density of PA-GC-Y and graphite. (b) Electrical conductivity of PA-GC-Y.

图3、Electrochemical performance of PA-G-X and PA-GC-Y MSCs in PVA-H3PO4. (a) CV curves of PA-G-X MSCs at 20 mV and 20 mV s–1. (b) GCD curves of PA-G-X MSCs at a current of 0.05 mA cm–2. (c) Areal capacitance of PA-G-X MSCs at different current densities from 0.05 to 0.40 mA cm–2. (d) CV curves of PA-GC-Y MSCs at 20 mV s–1. (e) GCD curves of PA-GC-Y MSCs at 0.05 mA cm–2. (f) Areal capacitance of PA-GC-Y MSCs at different current densities from 0.05 to 0.40 mA cm–2. (g) Nyquist plots of the PA-GC-Y MSCs. The inset is an enlarged high-frequency region of Nyquist plots. (h) Bode plots of PA-GC-Y MSCs. The inset is the enlarged phase of Z. (i) b value of PA-GC-Y MSCs. (j) The percentage of contribution to capacitive and diffusive behavior of PA-GC-Y MSCs. (k) Cycling performance of PA-GC-10 MSCs at 0.40 mA cm–2.

图4. Electrochemical performance of PA-GC-10 MSCs based on PVA-LiTFSI. (a) CV curves of PA-GC-10 MSC at 10 mV s–1 and different working voltages. (b) GCD curves of PA-GC-10 MSCs in PVA-H3PO4 and PVA-LiTFSI at 0.4 mA cm–2. (c) Areal capacitance of PA-GC-10 MSCs in PVA-LiTFSI at different current densities from 0.2 to 1.0 mA cm–2. (d) Comparison of energy density and power density of PA-GC-10 MSCs with the reported carbon-based, pseudocapacitive, and asymmetric MSCs. (e) Cycling stability of the pressure sensor at 50.96 kPa for 10,000 s (the inset shows the schematic of pressure sensor and its current response from 7100 to 7200 s). (f) I–t curves of the integrated pressure sensor driven by PA-GC-10 MSCs under different pressure.

3小结

总之，我们通过一种新型的MSC 电极，通过3D打印与石墨烯和炭黑的复合电极。柱状三维阵列结构通过提供垂直排列的离子传输通道，提高了电活性表面的可及性，从而增强了质量传输动力学。CB 石墨烯异质结构同时解决了导电性限制和重新堆叠问题，解决了表面积和电荷传输效率之间的内在权衡。三维打印的 MSC 显示出 35.75 mF cm-2 的高面积电容，实现的面积能量密度和功率密度分别为 27.71 μWh cm-2 和 1.10 mW cm-2。优异的性能归功于促进离子传输的三维结构、防止石墨烯重新堆叠并增强导电性的CB的加入以及电极的定制孔隙率所产生的协同效应。本研究强调了 3D 打印在制造高性能 MSC 方面的潜力。

文献
:https://doi.org/10.1021/acsanm.5c01095