纸上微型超级电容器(MSCs)是一次性电子产品的关键储能元件,有望从根本上解决全球日益关注的电子垃圾问题。然而,目前的MSCs几乎没有一种将生态友好性与高电化学性能(特别是倍率容量)结合在一起。
来自瑞典皇家理工学院的学者以聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)、石墨烯量子点和石墨烯三元复合体系为基础,研制了一种高可靠的导电油墨,用于在商用纸基材上可伸缩喷墨打印紧凑(面积为20mm2)的一次性MSC。无金属全固态MSC在1000mV s−1的高扫描速率下,最大面电容>2mF cm−2,循环寿命长(10000次循环后电容保持率>95%),且不需要任何后处理。值得注意的是,“完全无金属”的MSC阵列是完全喷墨打印在纸基上的,并且还表现出高倍率性能。生命周期评估表明,这些打印设备的生态毒性和全球变暖潜力比其他纸面MSCs要低得多。相关文章以“Inkjet Printed Disposable High-Rate On-Paper Microsupercapacitors”标题发表在Advanced Functional Materials。
图1.PDG油墨的特性。
a)PDG油墨的照片,
b)Zeta电位和c)PEDOT:PSS,PEDOT:PSS/GQD,PEDOT:PSS/EEG,以及在水/EG混合物(体积比2:1)中的三元PDG分散体的DLS颗粒分布,
d)在相纸上印刷的PDG图案的照片,
e,f)在相纸上印刷的PDG图案的SEM图像,
g,h)PDG油墨的TEM图像。
图2.打印在纸上的MSCs的电化学特性。
a)具有不同打印通道的纸箱纸上打印的msc电极的(上)照片,以及(下)分别聚焦于纸张基材(左)和图案顶部(右)的MSC电极的显微照片,
b)厚度和薄片电阻与打印通道数量的关系,
c)以不同的扫描速率打印了10个通道的器件的CV曲线,
d)从CV曲线中提取的面积电容与扫描速率之间的关系,以及c)以不同的扫描速率打印10个通道的器件的CV曲线,
d)从CV曲线中提取的面积电容与扫描速率的关系。
图3.印刷MSCs的恒流充放电(GCD)性能。
a)不同电流密度下MSCs的GCD曲线,
b,c)电流密度为b)100µA cm−2和c)1000µA cm−2下不同打印道次的MSCs的GCD曲线,
d)从不同打印道次的MSCs的GCD曲线中提取的面电容和电容保持值,
e)MSC的面电容和电容保持值与周期数之间的关系,(插图)不同打印道次的MSCs的GCD曲线.
图4.a)打印在相纸上用于柔性性能测试的MSC的照片,
b)1000 mV s−1下的CV曲线和
c)MSC在不同机械弯曲半径下的面电容,
d)四个MSCs串联在纸箱纸上的全印刷MSC阵列的照片,
e)1000 mV s-1 MSC的CV曲线和
f)串联MSC阵列的10µA的GCD曲线,
g)具有四个MSCs的全印MSC阵列的照片。
h)1000 mV s-1 MSC的CV曲线和i)并联−阵列的200µA的GCD曲线。
图5.最先进的纸面MSCS和基于PEDOT:PSS和GQD的MSCS的区域Ragone图
图6.参考文献中PDG MSCs(10次打印)和基于MXene的纸张MSCs的生命周期评估结果。。
a)生态毒性,
b)全球变暖潜势(GWP),
c)归一化生态毒性,
d)三种纸上MSCs的归一化GWP,分别考虑全器件、电极(包括纸衬底和集电器)和仅考虑电解质。
在这项工作中,特定类型的石墨烯量子点和电化学剥离的石墨烯可以协同稳定水/乙二醇混合溶剂中的PEDOT:PSs(zeta电位为−55mV),从而能够方便地配制出高稳定的无粘合剂和无金属的导电油墨,用于可靠和可扩展的喷墨打印。
以10µm的小液滴间距打印油墨是可行的,可以同时产生大厚度(高达9µm,每次速度为0.4µm)和高分辨率(临界尺寸≈300µm)。无需任何后处理,印刷的无金属图案在纸基上的方阻可低至4Ω−1。此外,本文的喷墨打印MSCs比其他高性能的纸上MSCs表现出更好的生态友好性。这项打印技术有望加快纸质MSCs的实际应用,从根本上促进一次性电子产品的发展。
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