喷墨打印石墨烯基超级电容器

1、喷墨打印石墨烯基柔性平面超级电容器 第30组 赵帮磊 邰晨 张萍 赵秋原超超级电级电容器容器简简介介石墨石墨烯烯基超基超级电级电容器容器研研究究现状现状新的制新的制备备方法方法-喷喷墨打印墨打印123Contents什么是超级电容器？ 超级电容器是介于传统电容器和二次电池之间的一种电化学储能装置。具有充放电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点超级电容器工作原理和结构组成电容：器件存储电荷能力的大小能量功率为了得到大的电容量，要尽可能缩小超级电容器电极间距离、增加电极表面积工作原理结构组成石墨烯的特性石墨烯的特性因此，石墨烯可应用于太阳能电池、锂离子电池、太阳能电池、锂离子电

2、池、超级电容器超级电容器、导电油墨、导电油墨、触摸屏、柔性电子、传感器、催化剂触摸屏、柔性电子、传感器、催化剂等领域。什么是石墨烯超级电容器？主要指利用石墨烯材料作为集流体收集和传递电荷的电容器 相对于其他碳材料，石墨烯材料具有较高的比表面积和更加优异的导电性，其特殊的平面二维结构使其具有更丰富的微观结构，因此石墨烯石墨烯非常适合作为超级电容器电极材料非常适合作为超级电容器电极材料石墨烯超级电容石墨烯超级电容器需解决的问题器需解决的问题孔隙率有效比表面积离子迁移电阻石墨烯堆叠平面石墨烯基超级电容器现状J. J. Yoo. Nano Lett.(2011)石墨烯电极结构设计 传统二维结构传统二维

3、结构 平面平面叉指电极结构叉指电极结构优点：1、便于平面器件集成化2、现有加工技术精确控制电极间距3、对于片状材料，可以增加有效面积平面石墨烯基超级电容器现状Zhiqiang Niu. Adv. Mater.(2013)Maher F.El-Kady. Nature Communications(2013)特殊设备操作复杂价格昂贵现状：有源RFID标签传感器印刷柔性有机太阳能电池检测爆炸冲击波的纸电子器件 近年来印刷电子有了快速发展，许多有关印刷电子的科研成果，已从实验室投入了生产，初步形成了印刷电子产业体系 将喷墨印刷的方式和全碳器件柔性化的问题结合起来？喷墨印刷柔性器件喷墨印刷石墨烯基超级

4、电容器如何实现低成本、大规模制备、实现器件的柔性化？喷墨印刷(Inkjet Printing)p工序少，能耗低p增材制造，材料损耗少p省去刻蚀步骤，绿色环保p可在各种基底上制造电子器件，实现柔性化p可实现大面积批量化制造 导电油墨是一种由导电填料、连结料、溶剂和助剂组成的导电性复合材料。 石墨烯的疏水性会使石墨烯纳米片极易通过强烈的范德华力产生团聚，使用有效的溶剂可以阻止石墨烯的团聚，从而使之成为稳定的石墨烯分散液。理想的溶剂主要有N-甲基吡咯烷酮（NMP）和二甲基甲酰胺（DMF） 采用液相剥离石墨制得的多孔石墨烯（PG） 没有结构缺陷，导电性能优异。如果剥离溶剂与石墨烯的表面能差异较大，则需

5、添加稳定剂、表面活性剂等，这些助剂可以在印刷后处理（如高温退火）中去除，对油墨的导电性影响较小。 石墨烯的疏水特性使其在大多数溶剂中溶解度较低，而GO 因其结构边缘含有羟基和环氧基团能在水中稳定分散，可以作为配制导电油墨的前躯体，经印刷后的还原处理即可获得导电性。石墨烯导电油墨的制备工艺研究石墨烯导电油墨的制备工艺研究原始石墨烯油墨的制备工艺原始石墨烯油墨的制备工艺(a)将层状石墨浸渍在超临界CO2中。(b)CO2分子渗透并嵌入在石墨的中间层中。(c)形成单层或几层厚的石墨烯片。(d)石墨烯片通过乙基纤维素作为稳定剂在环己酮中稳定存在。(e)形成稳定的石墨烯油墨。(f)石墨烯电极印刷在PET和

6、PI基板上。Yahui Gao, Wen Shi, Wucong Wang,et alia.Inkjet Printing Patterns of Highly Conductive Pristine Graphene on Flexible Substrates.Ind. Eng. Chem. Res. 2014, 53, 1677716784.石墨烯导电油墨Jiantong Li. Adv. Mater.(2013)墨水成分：石墨烯、松油醇、乙基纤维素、乙醇制备过程：超声20-40h后处理：400，30min方块电阻：34k/液相剥离法制备石墨烯墨水氧化还原法制备氧化石墨烯墨水墨水成分：氧

7、化石墨烯、去离子水制备过程：超声3h后处理：肼类气体氛围90，1h方块电阻：65/Keun-Young Shin Adv. Mater.(2011)参考文献参考文献墨水组成墨水组成超声过程超声过程后处理后处理打印衬底打印衬底最佳性能最佳性能Finn石墨烯、NMP超声破碎7h(40%)，超声破碎9h(70%）无后处理，打印过程加热70，去除NMPPET（表面有氧化铝和聚乙烯醇涂层）电导率3000S/mSecorgraphene/EC powder超声破碎90min（50W）250、30min真空镀膜-处理后 SiO2电导率25000S/mLi石墨烯、松油醇超声剥离40h400、30min未处理的

8、玻璃片方块电阻34k/（电导率3400S/m）Kong氧化石墨烯、去离子水购买氧化石墨烯加去离子水超声分散15min肼类气体氛围200，10minPET方块电阻300k/，电导率约800S/mShin氧化石墨烯、水合成的氧化石墨烯粉末分散到去离子水中超声3h肼类气体氛围90、1hPET方块电阻65/制备打印石墨烯墨水研究现状存在问题： 采用液相剥离法：超声时间过长或超声强度太大，造成剥离石墨烯的单块面积很小，导致打印后导电性差；而颗粒太大，无法打印 制备在柔性衬底上不进行后处理，导电性差，打印在刚性衬底上高温热处理，导电性好，但一般柔性衬底不耐高温 还原氧化石墨烯后处理主要是为了还原GO，高温

9、热还原，柔性衬底不适合；用低温肼蒸气还原的方式，虽然还原效果不错，但是是有毒气体目前制备的可打印石墨烯墨水存在问题1、如何实现石墨烯墨水的可打印？2、如何实现石墨烯墨水的功能化？问题提出 制备稳定的混合墨水墨水成分：GO水溶液（2mg/ml）20m表面包裹着有机保护剂且粒径小于50nm的纳米银颗粒：2-20%含能添加剂：2-10%；墨水溶剂：50-90%；表面张力调节剂：0.1-5%；增粘剂：4-20%；防腐剂：0.01-0.1%；表面张力调节剂：有聚乙烯吡咯烷酮、甘油、乙二醇等一般专利一般专利导电墨水的导电墨水的组成成分组成成分衬底温度301.Niu Z, Zhang L, Liu L, e

10、t al. All-Solid-State Flexible Ultrathin Micro-Supercapacitors Based on GrapheneJ. Advanced Materials, 2013, 25(29): 4035-4042.2.El-Kady M F, Kaner R B. Scalable fabrication of high-power graphene micro-supercapacitors for flexible and on-chip energy storageJ. Nature communications, 2013, 4: 1475.3.

11、Yoo J J, Balakrishnan K, Huang J, et al. Ultrathin planar graphene supercapacitorsJ. Nano letters, 2011, 11(4): 1423-1427.4.Yahui Gao, Wen Shi, Wucong Wang,et alia.Inkjet Printing Patterns of Highly Conductive Pristine Graphene on Flexible Substrates.Ind. Eng. Chem. Res. 2014, 53, 1677716784.5.Li J,

12、 Ye F, Vaziri S, et al. Efficient inkjet printing of grapheneJ. Advanced materials, 2013, 25(29): 3985-3992.6.Shin K Y, Hong J Y, Jang J. Micropatterning of Graphene Sheets by Inkjet Printing and Its Wideband Dipole-Antenna ApplicationJ. Advanced Materials, 2011, 23(18): 2113-2118.7.Kong D, Le L T, Li Y, et al. Temperature-dependent electrical properties of graphene inkjet-printed on flexible materialsJ. Langmuir, 2012, 28(37): 13467-13472.8.Secor E B, Prabh