自發收縮組裝策略實現可編程集成微尺寸超級電容器

　　微型及便攜電子設備近年來發展迅速，推動了對體積小、可快速充放電、具有超長循環壽命的微尺寸電容器的需求。目前，微型電容器面積容量提升很大，但由于電極材料負載量少，實際應用仍然受限。另外，常用的微型電容器的制備方法，如光刻法、激光直寫/刻蝕、3D打印以及模板法等，也仍然有很多缺點。例如光刻及打印法一般過程復雜，能耗比較高。激光法雖然靈活便捷，但制備的電容器在引入了集流體、基底及外包裝后，體積通常會比較大，這種現象在器件的立體串并聯過程中尤為嚴重，限制了其在微型電子設備中的應用。因此，發展一種新的方法來制備體積小、容量高的微尺寸電容器，并且能夠實現在空間上的有效集成，就顯得尤為重要。

　　近期，曲良體教授課題組提出了一種自發收縮的器件組裝策略，以石墨烯水凝膠為原料，制備出一種具有致密結構的微尺寸超級電容器—CmSC。該電容器充分利用了石墨烯水凝膠的收縮特性，體積小，單個器件僅0.0023 cm3；容量高，體積容量為68.3 F cm-3；同時具有良好的循環穩定性，經過25000次循環測試后，仍然保持98%的容量。

圖1. CmSC制備示意圖

　　自發收縮器件組裝法制備電容器是以石墨烯水凝膠為原料，首先根據需要將石墨烯水凝膠分割為片狀，再利用氧化石墨烯（GO）水系黏漿作為隔膜及粘結劑，將石墨烯水凝膠組裝成凝膠/GO/凝膠三明治結構，同時將導電纖維插入到石墨烯凝膠電極材料中作為集流體。在室溫常壓條件下，水凝膠將自發脫水收縮，直接形成密度約為1.49 g cm-3的致密微尺寸超級電容器。

圖2. 收縮變形機理及收縮后器件截面圖

　　在自發脫水收縮過程中，水凝膠內部水與石墨烯片層，以及片層與片層間強的相互作用力導致了石墨烯片的褶皺、堆疊，體系能量不斷降低，體積減小。最終，彎曲褶皺帶來的角能量大幅度升高，體系整體能量增大，收縮停止。收縮過程中，GO黏漿層受限于上下兩面的水凝膠，將隨之一起收縮，結果得到致密規整的三明治結構電容器。在此過程中集流體也將被牢固限制在電極材料中，器件結構非常穩定。

圖3. 榫卯結構3D叉指電容器制備示意圖

　　除此之外，自發收縮器件組裝法得到的單個器件可以作為基礎模塊進行任意、多維的空間集成組裝，從而適用于不同的能源體系要求。另外，通過榫卯結構的設計，他們還制備了一種自整合的3D叉指微電容，該結構使得集成器件體積大大降低，從而得到更高的體積容量。自發收縮器件組裝法不僅適用于石墨烯凝膠，同時也可用于其他材料體系。該工作為制備高性能、多維度集成的微型電容器及系統提供了一種簡便、通用的方法。

　　這一成果近期發表在Advanced Materials上。博士研究生盧冰為論文的第一作者，曲良體教授為通訊作者。