新型高質(zhì)量無添加劑石墨烯油墨可用于3D打印
近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員吳忠?guī)泩F隊和中國石油大學(xué)（華東）吳明鉑教授團隊合作，在3D打印石墨烯微型超級電容器研究方面取得新進展。合作團隊開發(fā)出一種適用于3D打印的高質(zhì)量無添加劑石墨烯油墨，研制出高集成密度、高輸出電壓和高電壓密度微型超級電容器。相關(guān)成果發(fā)表在《先進材料》上。
石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)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打印石墨烯油墨都涉及氧化石墨烯以及各類添加劑的使用，這不僅降低了器件的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、能量密度，并且所需的冷凍輔助打印、還原后處理及冷凍干燥過程大大增加了工藝復(fù)雜性和成本，不能很好滿足3D打印石墨烯油墨的商業(yè)化應(yīng)用需求。
本工作中，研究團隊以電化學(xué)陽極剝離的石墨烯、甘油及水為原料，開發(fā)出一種無高分子流變劑、性價比高，具有高魯棒性、環(huán)保性的3D打印石墨烯油墨。由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，降低了其對儲能及其他潛在應(yīng)用領(lǐng)域的不利影響。團隊以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，并且在3.5V高電壓和100°C高溫下實現(xiàn)了穩(wěn)定的循環(huán)性能。此外，為了滿足實際電子器件對高工作電壓（>100V）的要求，團隊還實現(xiàn)了3D打印的單片集成微型超級電容器的高集成器件數(shù)（188個器件），高集成密度（單位面積16個器件）、高輸出電壓（192.5V）和高電壓密度（56V/cm2）等。
該工作有望為石墨烯在3D打印領(lǐng)域的商業(yè)化提供科學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用指導(dǎo)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202313930
