無基底或集流體的自支撐微型超級電容器（MSC）器件在實際應用中頗具潛力。然而，由于需要優(yōu)化活性位點、電導率、離子擴散、圖案控制以及解決對濕度敏感等問題，制備高性能的自支撐 MSC 器件仍然頗具難度。 本文提出，由于 sp2 和 sp3 雜化的平衡，優(yōu)化石墨烯上的含氧量有望滿足這些需求。使用中等氧化程度的石墨烯，可輕松獲得柔韌性好、導電、耐水且易于加工的薄膜，這有利于制備自支撐 MSC 電極。與凝膠電解質(zhì)組裝后，該自支撐 MSC 器件在使用水凝膠電解質(zhì)時，質(zhì)量負載約為10 mg cm
-2的情況下，展現(xiàn)出898.4 mF cm
-2的高電容；使用離子凝膠電解質(zhì)時，電容為383.6 mF cm
-2。相應地，該 MSC 器件在功率密度為0.85 mW cm
-2時，可實現(xiàn)42.6 µWh cm
-2的標志性能量密度（在功率密度為141.7 mW cm
-3時，能量密度為7.1 mWh cm
-3）。高性能、制備簡便以及非活性成分少等優(yōu)點，使得這種自支撐 MSC 器件在實際應用中前景廣闊。
Fig 1. a - d）自支撐微型超級電容器（MSC）的示意圖：a）高氧化還原位點與快速電荷轉(zhuǎn)移。b）邊緣處的快速離子擴散。c）多樣性與精確加工。d）電解質(zhì)保持與耐水穩(wěn)定性。e - h）優(yōu)化氧基團的優(yōu)勢：e）平衡活性位點與電導率。f）形成多孔結(jié)構(gòu)。g）低能量刻寫與高效散熱。h）將電解質(zhì)與石墨烯片結(jié)合。
Fig 2. 不同氧化程度石墨烯片的微觀結(jié)構(gòu)：a - c）高氧化石墨烯（G - H）、中等氧化石墨烯（G - M）和低氧化石墨烯（G - L）的原子力顯微鏡（AFM）圖像（插圖為對應白色線條的高度輪廓）。d - i）G - H、G - M和G - L樣品的寬范圍及精細掃描C1s X射線光電子能譜（XPS）、傅里葉變換紅外光譜（FT - IR）、X射線衍射（XRD）、拉曼光譜以及zeta電位。
Fig 3. a) 石墨烯薄膜簡易制備流程示意圖。b - j) 高氧化石墨烯（G - H）、中等氧化石墨烯（G - M）及低氧化石墨烯（G - L）薄膜的應力 - 應變曲線、柔韌性、導電性、激光刻寫效果、接觸角、水穩(wěn)定性及氮氣吸附 - 脫附等溫線。
Fig 4. a - c）掃描速率為5毫伏/秒時的循環(huán)伏安（CV）曲線、電流密度為1.0安培/克時的恒電流充放電（GCD）曲線，以及高氧化石墨烯（G - H）、中等氧化石墨烯（G - M）和低氧化石墨烯（G - L）薄膜的面電容與電流密度的關系。d）掃描速率為5毫伏/秒時，中等氧化石墨烯（G - M）的電容貢獻占比。e）高氧化石墨烯（G - H）、中等氧化石墨烯（G - M）和低氧化石墨烯（G - L）薄膜的電容性和擴散性貢獻。f）高氧化石墨烯（G - H）、中等氧化石墨烯（G - M）和低氧化石墨烯（G - L）的電化學阻抗譜（EIS）圖（插圖為高頻范圍內(nèi)的EIS圖）。
Fig 5. a) 中等氧化石墨烯（G - M）微型超級電容器（MSC）的制備示意圖。b) 置于聚乙烯醇（PVA）/氫氧化鉀（KOH）凝膠電解質(zhì)中的自支撐G - M MSC器件圖片。c) 各種自支撐圖案化薄膜的圖像。d) 激光加工邊緣的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（插圖為邊緣的高分辨率SEM圖像）。e, f) G - M MSC在不同掃描速率和電流密度下的循環(huán)伏安（CV）曲線和恒電流充放電（GCD）曲線。
g) 不同質(zhì)量負載下G - M MSC的比電容。
Fig 6. a) 無基底的柔性自支撐微型超級電容器（MSC）的圖片。b、c) 中等氧化石墨烯（G - M）微型超級電容器（MSC）在不同掃描速率和電流密度下的循環(huán)伏安（CV）曲線和恒電流充放電（GCD）曲線。d) 不同電流密度和掃描速率下的面電容。e) 平面和彎曲狀態(tài)下的循環(huán)穩(wěn)定性（插圖為掃描速率為 10 毫伏 / 秒時不同彎曲角度下的循環(huán)伏安曲線）。f) 由自支撐微型超級電容器（MSC）點亮的發(fā)光二極管（LED）的照片。g) 10 個串聯(lián)的微型超級電容器（MSC）在平坦和彎曲狀態(tài)下的圖片及其在 20 毫伏 / 秒時的循環(huán)伏安曲線。h) 中等氧化石墨烯（G - M）微型超級電容器（MSC）與已報道結(jié)果的能量和功率密度對比。i) 與其他微型超級電容器（MSC）器件相比，這項工作的優(yōu)勢。
相關研究工作由江蘇大學Dawei Cao/ Yuan Liu團隊于2024年在線發(fā)表在《Small》期刊上， Facile Preparation of High-Performance Free-Standing Micro-Supercapacitors by Optimizing Oxygen Groups on Graphene，原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202404307
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
