微型超级电容器 （MSC） 的简单且可扩展的生产对于满足微型电子产品的能源需求至关重要。尽管通过基于溶液的打印技术在制造 MSC 方面取得了重大进展，但实现高性能 MSC 仍然是一个挑战。在本文中，通过丝网印刷具有适当流变特性的水性导电油墨制备了具有高功率密度的石墨烯基 MSC。高导电率 （2.04 ×10 ⁴ S∙m^-1） 和低等效串联电阻 （46.7 Ω） 得益于由石墨烯形成的介孔结构组成的密集导电网络，炭黑作为连接剂分散，以及源自优异可印刷性的窄指宽和间隙 （200 μm），促使全印刷 MSC 提供高电容 （9.15 mF∙cm^-2）， 能量密度 （1.30 μWh∙cm⁻²） 和超高功率密度 （89.9 mW∙cm⁻²）。值得注意的是，所得的 MSC 可以在高达 200 V∙s⁻¹ 的扫描速率下有效工作，这比传统的超级电容器高出两个数量级。此外，MSC 表现出优异的循环稳定性（10,000 次循环后 91.6% 的容量保持率和 ~100% 的库仑效率）和非凡的机械性能（5000 次弯曲循环后 92.2% 的容量保持率），表明它们在柔性可穿戴/便携式电子系统中的广泛应用前景。
 
 
Fig 1. 水性石墨烯导电油墨的示意图合成和 MSC 的丝网印刷制备。
 

Fig 2. （a） 剥离前原始石墨的 SEM 图像。（b） 几个堆叠石墨烯纳米片的 TEM 图像。（c） 石墨烯的典型 AFM 图像。（d） 石墨烯剥离后的 SEM 图像。（e） （b） 中矩形区域的 HRTEM 图像。石墨烯的 （f） 厚度分布和 （g） 面积分布的直方图。
 

Fig 3. 原始石墨和石墨烯的 （a） 拉曼光谱和 （b） C1s XPS。
 
 
Fig 4. （a） 油墨粘度与剪切速率的关系;（b） 墨水的触变性;（c） 油墨粘度的回收百分比;（d） 储能模量 （G′） 和损耗模量 （G“） 随剪切应力的变化，其中实心和空心符号分别代表 G′ 和 G”;（e） 损失系数 tan δ 与剪切应力的函数关系;（f） 通过 100 μm 光学显微镜开口印刷在 PET 基材上的油墨细线的光学显微镜图像 油墨通过 PET 基材上的丝网开口印刷的细线图像，从上到下分别对应于油墨 0.25、油墨 0.67、油墨 1.5 和油墨 4;（g） 热压前后印刷图案的导电性;（h） 在 120° 弯曲角度下重复弯曲 1000 次期间，打印模型的相对电阻变化;（） 使用 Ink-1.5 打印的细线的俯视图 SEM 图像。
 

Fig 5. （a） MSC 的代表性横截面 SEM 图像。（b） MSC₁₀₀₀、MSC₅₀₀ 和 MSC₂₀₀ 的数码照片。
 

Fig 6. （a-f）MSC₂₀₀ 在 0.01、0.1、1、10、100 和 200 V∙s⁻¹ 不同扫描速率下的 CV 曲线。（g） MSC₂₀₀ 的放电电流密度随扫描速率的变化而变化。（h） MSC₂₀₀、MSC₅₀₀ 和 MSC₁₀₀₀ 的奈奎斯特图。（） 三个 MSC 的阻抗相位角的关系随频率而变化。
 


Fig 7. （a） 0.05–0.4 mA∙cm^-2 和 （b） 0.5-1.0 mA∙cm^-2 不同电流密度下的 GCD 曲线。（c） 电流密度为 0.05–1.0 mA∙cm⁻² 的三种 MSC 的面电容。（d） 本研究与其他报道的印刷 MSC 的面积比电容比较。（e） MSC₂₀₀ 在 0.5 mA∙cm^-2 电流密度下的循环性能。（f） 能量密度和功率密度的 Ragone 图。（g） MSC₂₀₀ 在不同弯曲角度下的照片。（h） MSC₂₀₀ 在 5000 次弯曲循环中的电容保持率。插图：使用 200 mV∙s⁻¹ 的扫描速率在不同弯曲角度下获得的 CV 曲线。
 
       相关研究工作由北京航空航天大学Zhigang Shen等人于2024年共同发表在《Materials》期刊上，Planar Micro-Supercapacitors with High Power Density Screen-Printed by Aqueous Graphene Conductive Ink，原文链接：https://doi.org/10.3390/ma17164021

转自《石墨烯研究》公众号