科學家實現3D打印石墨烯微型超級電容器構筑與單片集成

　　近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組研究員吳忠帥團隊與中國石油大學（華東）教授吳明鉑團隊合作，在3D打印石墨烯微型超級電容器研究方面取得進展，開發出適用于3D打印的高質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。

　　石墨烯具有優異的力學、電學和熱學的性能。因此，石墨烯及其油墨在柔性電子器件、熱管理器件、生物材料器件等領域具有廣泛的應用前景。然而，現有的3D打印石墨烯油墨均涉及氧化石墨烯以及各類添加劑，這降低了器件的導電性、導熱性、能量密度，且所需的冷凍輔助打印、還原后處理及冷凍干燥過程增加了工藝復雜性和成本，無法較好地滿足3D打印石墨烯油墨的商業化應用需求。

　　該研究以電化學陽極剝離的石墨烯、甘油和水為原料，開發出無高分子流變劑、性價比高并具有高魯棒性、環保性的3D打印石墨烯油墨。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用領域的不利影響。該團隊以EMIMBF4/PVDF-HFP離子凝膠為準固態電解質，提高了3D打印的石墨烯微型超級電容器的電化學性能，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，且在3.5V高電壓和100°C高溫下實現了穩定的循環性能。此外，為了滿足實際電子器件對高工作電壓的要求，該工作實現了3D打印的單片集成微型超級電容器的高集成器件數、高集成密度、高輸出電壓和高電壓密度等。上述成果有望為石墨烯在3D打印領域的商業化奠定科學基礎并提供應用指導。

　　相關研究成果以Electrochemically Exfoliated Graphene Additive-Free Inks for 3D Printing Customizable Monolithic Integrated Micro-Supercapacitors on a Large Scale為題，發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國家自然科學基金和大連化物所創新基金等的支持。