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大连化物所研发无基底、无固定形状平面微型超级电容器

1416    2020-01-13    发布者:中国测试杂志社    来源:


       近日,中国科学院大连化学物理研究所二维材料与能源器件研究组研究员吴忠帅团队和纳米与界面催化研究组研究员傅强团队合作,开发出一种器件组装新方法,将平面图案化微电极包裹在化学交联的氧化石墨烯-聚乙烯醇基水凝胶电解质中,成功构建出一种无基底、无形状的新概念微型超级电容器。


  两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质,就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时,电容器就会储存电荷。电容器的电容量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。电容器的电容量的基本单位是法拉(F)。在电路图中通常用字母C表示电容元件。
 
  微型超级电容器是一种非常重要的高功率微型储能器件,但由于基底引入、电极/电解液与基底之间的相容性差、封装工艺复杂等多种因素,导致器件形状固定单一、机械柔性较差、能量密度低,很难满足对空间和柔性要求高的特定微系统的应用场景需求。
 
  电容器在调谐、旁路、耦合、滤波等电路中起着重要的作用。晶体管收音机的调谐电路要用到它,彩色电视机的耦合电路、旁路电路等也要用到它。随着电子信息技术的日新月异,数码电子产品的更新换代速度越来越快,以平板电视(LCD和PDP)、笔记本电脑、数码相机等产品为主的消费类电子产品产销量持续增长,带动了电容器产业增长。
 
  最近,大连化物所研究人员开发出一种“微电极集成于凝胶电解质内部制备一体化薄膜”的器件组装新方法,将二维材料(如MXene、石墨烯)基平面图案化微电极包裹在含氧化石墨烯的化学交联聚乙烯醇基水凝胶电解质薄膜中,成功构建出一种基于“微电极-电解质一体化薄膜”新概念的无基底、无固定形状的微型超级电容器。
 
  实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。
 
  2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。
 

  该器件具有超薄器件厚度(37 μm)、超柔性、高面积容量(40.8 mF/cm2)和高度集成度。特别是在弯曲、折叠、扭转、褶皱等多种形变状态下,该微型超级电容器仍保持原有的高电化学性能。例如,高度集成化的9个串联石墨烯基微型超级电容器模块,在严重扭曲形变的条件下(整个器件体积从0.11 cm3揉成0.01 cm3),整个模块仍具有优异的电化学一致性,在7.2 V的电压下仍能稳定地工作。该工作为发展无基底、无固定形状新型微型储能器件提供了一种普适性方法和新的设计策略。


来源:仪表网

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