蓬勃发展的便携式电子产品市场对开发具有机械柔性和有限区域高功率密度的超级电容器提出了巨大的需求； 然而，目前受厚度限制的夹层设计或机械特性有限的平面内叉指配置仍然不能满足这一要求。 在这里，首先设计和构建了空间交错超级电容器（SI-SC），其中石墨烯微电极在三维（3D）空间内逐层反向堆叠。 由于每个微电极与四个反微电极匹配良好，并且所有 3D 空间交错微电极都具有狭窄的间隙，从而保持整个器件中的有效离子传输，因此该 SI-SC 具有显着的线性电容随着器件厚度的增加而增加。 因此，在 100 μm 厚的器件上实现了 36.46 mF cm^-2 的高比面积电容和 5.34 μWh cm^-2 的能量密度。 特别是每一层的微电极相互交叉，保证了SI-SC出色的机械柔韧性，在10⁴次弯曲试验后性能保持率约为98.7%，实现了高面积能量密度和有限区域内机械柔韧性的完美结合。 此外，SI-SC 单元可以轻松集成到可穿戴电子设备中，为手表、发光二极管 (LED)、计算器等提供实际应用。 
 
图 1. 夹层、平面内叉指型超级电容器与空间交错 SI-SC 的架构比较。 三明治和平面型超级电容器的示意图。  (a) 电极的厚度从 H 增加到 H'。 增加三明治型超级电容器的质量负载可能会延长电极中的离子传输路径。  (b) 对于平面型超级电容器，加厚电极会导致牺牲其机械柔韧性。  (c) 显示了 SI-SC 的示意图和横截面结构。  SI-SC 中的每个微电极都与四个带相反电荷的微电极相邻，以实现高面积能量密度和机械灵活性。 
 
图 2. SI-SC 的制造和表征。  (a) SI-SC 的示意图制造过程。 通过 GO 涂层（步骤 1）、直接激光写入（步骤 2）、电解质喷涂（步骤 3）和重复操作（步骤 4）制造 SI-SC。 集电器通过高功率激光击穿完全导通（步骤 5）。  (b) SI-SC 的顶视图 SEM 图像。  (c) SI-SC 设备的数码照片。  SI-SC 的横截面 (d) 和横截面 (e) SEM 图像的放大图。  GO和激光诱导的rGO的EDS（f）和高分辨率C 1s XPS（g）光谱。 
 
图 3. SI-SC₁₀ 的电化学性能。SI-SC₁₀（a）在不同扫描速率下的 CV 曲线和（b）作为扫描速率函数的相应面积电容。(c) SI-SC₁₀在不同电流密度下的恒电流充放电曲线。  (d) SI-SC₁₀ 的奈奎斯特图。(e) SC-MS₁₀在不同弯曲状态下的CV曲线。  （插图）数码照片显示了 SI-SC₁₀ 的灵活性。(f) SC-MS₁₀在不同弯曲条件下的循环稳定性。 
 
图 4. 不同架构的 SI-SC 的电化学性能。 扫描速率为 0.02 V s^-1(a) 的 CV 曲线和 SI-SC 的相应面积电容 (b) 与层数的关系。 (c) SI-SC₁₀ 和 SI-SC1 在 0.29 mA cm^-2 电流密度下的恒电流充电/放电曲线。(d) 将 SI-SC₁₀ 的器件厚度、面电容和面能量密度与最近的基于石墨烯的超级电容器进行比较。(e) 反向堆叠 SI-SC 和对称堆叠器件的图示。具有反向或对称堆叠结构的器件的负离子 (Cl^-) 浓度等值线图。(f) 具有反向或对称堆叠结构的器件表面离子浓度的比较。(g) 具有反向或对称堆叠结构的器件的电化学阻抗谱。(h) 三层反向或对称堆叠器件的恒电流充电/放电曲线。 
 
图 5. SC-MS₁₀ 的应用。 (a) 串联和并联的 SI-SC₁₀ 单元的 CV 曲线。 计算器 (b)、LED (c) 和计时码表 (d) 等商业电子产品由三个串联的 SC-MS₁₀ 供电。(e) 由连接到腕带的两个 SC-MS₁₀ 供电的手表的照片。
  
      相关研究成果由清华大学Huhu Cheng、Liangti Qu和北京科技大学Yan Li等人2022年发表在ACS Nano (https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04989)上。原文：Spatial-Interleaving Graphene Supercapacitor with High Area Energy Density and Mechanical Flexibility。

转自《石墨烯研究》公众号