噴墨打印石墨烯基超級電容器

1、噴墨打印石墨烯基柔性平面超級電容器 第30組 趙幫磊 邰晨 張萍 趙秋原超超級電級電容器容器簡簡介介石墨石墨烯烯基超基超級電級電容器容器研研究究現(xiàn)狀現(xiàn)狀新的制新的制備備方法方法-噴噴墨打印墨打印123Contents什么是超級電容器？ 超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的一種電化學(xué)儲能裝置。具有充放電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點超級電容器工作原理和結(jié)構(gòu)組成電容：器件存儲電荷能力的大小能量功率為了得到大的電容量，要盡可能縮小超級電容器電極間距離、增加電極表面積工作原理結(jié)構(gòu)組成石墨烯的特性石墨烯的特性因此，石墨烯可應(yīng)用于太陽能電池、鋰離子電池、太陽能電池、鋰離子電

2、池、超級電容器超級電容器、導(dǎo)電油墨、導(dǎo)電油墨、觸摸屏、柔性電子、傳感器、催化劑觸摸屏、柔性電子、傳感器、催化劑等領(lǐng)域。什么是石墨烯超級電容器？主要指利用石墨烯材料作為集流體收集和傳遞電荷的電容器 相對于其他碳材料，石墨烯材料具有較高的比表面積和更加優(yōu)異的導(dǎo)電性，其特殊的平面二維結(jié)構(gòu)使其具有更豐富的微觀結(jié)構(gòu)，因此石墨烯石墨烯非常適合作為超級電容器電極材料非常適合作為超級電容器電極材料石墨烯超級電容石墨烯超級電容器需解決的問題器需解決的問題孔隙率有效比表面積離子遷移電阻石墨烯堆疊平面石墨烯基超級電容器現(xiàn)狀J. J. Yoo. Nano Lett.(2011)石墨烯電極結(jié)構(gòu)設(shè)計 傳統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)二維

3、結(jié)構(gòu) 平面平面叉指電極結(jié)構(gòu)叉指電極結(jié)構(gòu)優(yōu)點：1、便于平面器件集成化2、現(xiàn)有加工技術(shù)精確控制電極間距3、對于片狀材料，可以增加有效面積平面石墨烯基超級電容器現(xiàn)狀Zhiqiang Niu. Adv. Mater.(2013)Maher F.El-Kady. Nature Communications(2013)特殊設(shè)備操作復(fù)雜價格昂貴現(xiàn)狀：有源RFID標(biāo)簽傳感器印刷柔性有機太陽能電池檢測爆炸沖擊波的紙電子器件 近年來印刷電子有了快速發(fā)展，許多有關(guān)印刷電子的科研成果，已從實驗室投入了生產(chǎn)，初步形成了印刷電子產(chǎn)業(yè)體系 將噴墨印刷的方式和全碳器件柔性化的問題結(jié)合起來？噴墨印刷柔性器件噴墨印刷石墨烯基超級

4、電容器如何實現(xiàn)低成本、大規(guī)模制備、實現(xiàn)器件的柔性化？噴墨印刷(Inkjet Printing)p工序少，能耗低p增材制造，材料損耗少p省去刻蝕步驟，綠色環(huán)保p可在各種基底上制造電子器件，實現(xiàn)柔性化p可實現(xiàn)大面積批量化制造 導(dǎo)電油墨是一種由導(dǎo)電填料、連結(jié)料、溶劑和助劑組成的導(dǎo)電性復(fù)合材料。 石墨烯的疏水性會使石墨烯納米片極易通過強烈的范德華力產(chǎn)生團聚，使用有效的溶劑可以阻止石墨烯的團聚，從而使之成為穩(wěn)定的石墨烯分散液。理想的溶劑主要有N-甲基吡咯烷酮（NMP）和二甲基甲酰胺（DMF） 采用液相剝離石墨制得的多孔石墨烯（PG） 沒有結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)電性能優(yōu)異。如果剝離溶劑與石墨烯的表面能差異較大，則需

5、添加穩(wěn)定劑、表面活性劑等，這些助劑可以在印刷后處理（如高溫退火）中去除，對油墨的導(dǎo)電性影響較小。 石墨烯的疏水特性使其在大多數(shù)溶劑中溶解度較低，而GO 因其結(jié)構(gòu)邊緣含有羥基和環(huán)氧基團能在水中穩(wěn)定分散，可以作為配制導(dǎo)電油墨的前軀體，經(jīng)印刷后的還原處理即可獲得導(dǎo)電性。石墨烯導(dǎo)電油墨的制備工藝研究石墨烯導(dǎo)電油墨的制備工藝研究原始石墨烯油墨的制備工藝原始石墨烯油墨的制備工藝(a)將層狀石墨浸漬在超臨界CO2中。(b)CO2分子滲透并嵌入在石墨的中間層中。(c)形成單層或幾層厚的石墨烯片。(d)石墨烯片通過乙基纖維素作為穩(wěn)定劑在環(huán)己酮中穩(wěn)定存在。(e)形成穩(wěn)定的石墨烯油墨。(f)石墨烯電極印刷在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.石墨烯導(dǎo)電油墨Jiantong Li. Adv. Mater.(2013)墨水成分：石墨烯、松油醇、乙基纖維素、乙醇制備過程：超聲20-40h后處理：400，30min方塊電阻：34k/液相剝離法制備石墨烯墨水氧化還原法制備氧化石墨烯墨水墨水成分：氧

7、化石墨烯、去離子水制備過程：超聲3h后處理：肼類氣體氛圍90，1h方塊電阻：65/Keun-Young Shin Adv. Mater.(2011)參考文獻參考文獻墨水組成墨水組成超聲過程超聲過程后處理后處理打印襯底打印襯底最佳性能最佳性能Finn石墨烯、NMP超聲破碎7h(40%)，超聲破碎9h(70%）無后處理，打印過程加熱70，去除NMPPET（表面有氧化鋁和聚乙烯醇涂層）電導(dǎo)率3000S/mSecorgraphene/EC powder超聲破碎90min（50W）250、30min真空鍍膜-處理后 SiO2電導(dǎo)率25000S/mLi石墨烯、松油醇超聲剝離40h400、30min未處理的

8、玻璃片方塊電阻34k/（電導(dǎo)率3400S/m）Kong氧化石墨烯、去離子水購買氧化石墨烯加去離子水超聲分散15min肼類氣體氛圍200，10minPET方塊電阻300k/，電導(dǎo)率約800S/mShin氧化石墨烯、水合成的氧化石墨烯粉末分散到去離子水中超聲3h肼類氣體氛圍90、1hPET方塊電阻65/制備打印石墨烯墨水研究現(xiàn)狀存在問題： 采用液相剝離法：超聲時間過長或超聲強度太大，造成剝離石墨烯的單塊面積很小，導(dǎo)致打印后導(dǎo)電性差；而顆粒太大，無法打印 制備在柔性襯底上不進行后處理，導(dǎo)電性差，打印在剛性襯底上高溫?zé)崽幚?，?dǎo)電性好，但一般柔性襯底不耐高溫 還原氧化石墨烯后處理主要是為了還原GO，高溫

9、熱還原，柔性襯底不適合；用低溫肼蒸氣還原的方式，雖然還原效果不錯，但是是有毒氣體目前制備的可打印石墨烯墨水存在問題1、如何實現(xiàn)石墨烯墨水的可打??？2、如何實現(xiàn)石墨烯墨水的功能化？問題提出 制備穩(wěn)定的混合墨水墨水成分：GO水溶液（2mg/ml）20m表面包裹著有機保護劑且粒徑小于50nm的納米銀顆粒：2-20%含能添加劑：2-10%；墨水溶劑：50-90%；表面張力調(diào)節(jié)劑：0.1-5%；增粘劑：4-20%；防腐劑：0.01-0.1%；表面張力調(diào)節(jié)劑：有聚乙烯吡咯烷酮、甘油、乙二醇等一般專利一般專利導(dǎo)電墨水的導(dǎo)電墨水的組成成分組成成分襯底溫度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