在這項工作中，展示了一種簡單，合理和新穎的策略，通過激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)微電極和海藻酸鈉/聚丙烯酰胺水凝膠電解質(zhì)浸泡在硫酸溶液(SA/PAAM-H
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4)中來組裝微型超級電容器(MSCs)。微電極采用具有多孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電石墨烯材料，利用激光直寫技術(shù)對絕緣聚酰亞胺(PI)片進(jìn)行碳化處理。闡述了電解質(zhì)良好潤濕電極材料對裝置性能的重要性。電極與電解液具有良好的相容性和界面接觸。具有高離子電導(dǎo)率(574.7 mS cm
-1)的SA/PAAM-H
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4水凝膠電解質(zhì)也表現(xiàn)出良好的保水性，即使在空氣中暴露60 h后也能保持正常。SA/PAAM-H
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4水凝膠制備的LIG-MSCs與PVA/H
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4水凝膠的電容相當(dāng)。LIG-MSCs具有7.12 mF cm
-2的高面電容和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，LIG-MSCs具有優(yōu)異的機(jī)械柔韌性和穩(wěn)定性能，即使在高度彎曲狀態(tài)和連續(xù)錘擊過程中，電容也幾乎不受影響。LIG-MSCs可以任意串聯(lián)和并聯(lián)，而不需要金屬基互連來實現(xiàn)高壓和高電容輸出。本研究的設(shè)計策略旨在為柔性LIG-MSCs的開發(fā)提供新的見解。
圖1. LIG-MSC 的設(shè)計及 LIG 膜的表征。a) 以激光誘導(dǎo)石墨烯 (LIG) 為電極、以 SA/PAAM 基水凝膠為電解質(zhì)的 LIG-MSC 制造工藝示意圖。b) LIG 微電極的 SEM 頂視圖。c) 多孔層壓結(jié)構(gòu)的放大 SEM 圖像。d) LIG 膜的橫截面 SEM 圖像，厚度約為 50 μm。e) C 的 EDS 映射。f) LIG 膜的拉曼光譜。
圖2. a, b) SA/PAAM 水凝膠的 SEM 圖像。SA/PAAM 水凝膠在不同變形、c) 拉伸、d) 壓縮和恢復(fù)下的光學(xué)圖像。SA/PAAM 水凝膠在 e) 拉伸和 f) 壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
圖3. LIG 膜與水的表面接觸角測量。（LIG 膜上的一滴液體呈現(xiàn)三邊界相）。
圖4. LIG薄膜對不同溶液的潤濕性。（重復(fù)實驗五次）a）兩種相同濃度的溶液對LIG薄膜的潤濕程度：i）1 M KCl溶液，ii）1 M Na
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4溶液。b）不同濃度的H
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4溶液對LIG薄膜的潤濕程度。i）1 M H
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4，ii）2 M H
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4，iii）3 M H
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4和iii）5 M H
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4。
圖5. LIG-MSCs 在 SA/PAAM-H
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4 水凝膠電解質(zhì)中的電化學(xué)性能。
a、b) 掃描速率為 5–500 mV s
-1 時 LIG-MSCs 的 CVs。(c) LEG-MSC 在 0.08–0.5 mA cm
-2 時的充放電曲線。d) LIG-MSC 10000 次循環(huán)前后奈奎斯特圖比較。e) LIG-MSCs 的面積電容與掃描速率的關(guān)系。f) 在電流密度為 0.2 mA cm
-2時測試的 LIG-MSCs 的循環(huán)性能。插圖是循環(huán)過程中的 GCD 曲線。
圖6. 10000 次循環(huán)后 SA/PAAM–H
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4–LIG-MSC 薄膜的表征。a) XPS 測量光譜，b) C1s XPS 光譜和 c) O1s XPS 光譜。
圖7. a) LIG-MSC 在 0° 至 180° 彎曲角度下的照片。b) 由三個串聯(lián) LIG-MSCs 供電的紅色 LED燈。c) 50 mV s
-1 下裝置以不同角度彎曲的 CV 曲線。d) 0.2 mA cm
-2 下裝置以不同角度彎曲的 GCD 曲線。e) 20 mV s
-1 下從 0 到 180° 進(jìn)行 5000 次彎曲循環(huán)測試 LIG-MSCs 的電容保持率；插圖顯示了初始狀態(tài)和彎曲 5000 次后的 CV 曲線。f) 掃描速率為 100 mV s
-1 時單個設(shè)備和三個串聯(lián)設(shè)備的 CV 曲線。g) 電流密度為 0.2 mA cm
-2 時單個設(shè)備和 h) 三個并聯(lián)和串聯(lián)設(shè)備的 GCD 曲線。
圖8. 本研究的 LIG-MSCs 的 Ragone 圖，與其他報道的微型超級電容器的值進(jìn)行了比較。
相關(guān)研究成果由天津工業(yè)大學(xué)分離膜與膜過程國家重點實驗室、化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院、天津工業(yè)大學(xué)滄州研究院Tiantian Liu等人于2024年發(fā)表在Journal of Power Sources (https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234307 )上。原文：High-performance micro supercapacitor assembled by laser-induced graphene electrode and hydrogel electrolyte with excellent interfacial wettability for high capacitance
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
