无基底或集流体的自支撑微型超级电容器（MSC）器件在实际应用中颇具潜力。然而，由于需要优化活性位点、电导率、离子扩散、图案控制以及解决对湿度敏感等问题，制备高性能的自支撑 MSC 器件仍然颇具难度。 本文提出，由于 sp2 和 sp3 杂化的平衡，优化石墨烯上的含氧量有望满足这些需求。使用中等氧化程度的石墨烯，可轻松获得柔韧性好、导电、耐水且易于加工的薄膜，这有利于制备自支撑 MSC 电极。与凝胶电解质组装后，该自支撑 MSC 器件在使用水凝胶电解质时，质量负载约为10 mg cm
-2的情况下，展现出898.4 mF cm
-2的高电容；使用离子凝胶电解质时，电容为383.6 mF cm
-2。相应地，该 MSC 器件在功率密度为0.85 mW cm
-2时，可实现42.6 µWh cm
-2的标志性能量密度（在功率密度为141.7 mW cm
-3时，能量密度为7.1 mWh cm
-3）。高性能、制备简便以及非活性成分少等优点，使得这种自支撑 MSC 器件在实际应用中前景广阔。
Fig 1. a - d）自支撑微型超级电容器（MSC）的示意图：a）高氧化还原位点与快速电荷转移。b）边缘处的快速离子扩散。c）多样性与精确加工。d）电解质保持与耐水稳定性。e - h）优化氧基团的优势：e）平衡活性位点与电导率。f）形成多孔结构。g）低能量刻写与高效散热。h）将电解质与石墨烯片结合。
Fig 2. 不同氧化程度石墨烯片的微观结构：a - c）高氧化石墨烯（G - H）、中等氧化石墨烯（G - M）和低氧化石墨烯（G - L）的原子力显微镜（AFM）图像（插图为对应白色线条的高度轮廓）。d - i）G - H、G - M和G - L样品的宽范围及精细扫描C1s X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FT - IR）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱以及zeta电位。
Fig 3. a) 石墨烯薄膜简易制备流程示意图。b - j) 高氧化石墨烯（G - H）、中等氧化石墨烯（G - M）及低氧化石墨烯（G - L）薄膜的应力 - 应变曲线、柔韧性、导电性、激光刻写效果、接触角、水稳定性及氮气吸附 - 脱附等温线。
Fig 4. a - c）扫描速率为5毫伏/秒时的循环伏安（CV）曲线、电流密度为1.0安培/克时的恒电流充放电（GCD）曲线，以及高氧化石墨烯（G - H）、中等氧化石墨烯（G - M）和低氧化石墨烯（G - L）薄膜的面电容与电流密度的关系。d）扫描速率为5毫伏/秒时，中等氧化石墨烯（G - M）的电容贡献占比。e）高氧化石墨烯（G - H）、中等氧化石墨烯（G - M）和低氧化石墨烯（G - L）薄膜的电容性和扩散性贡献。f）高氧化石墨烯（G - H）、中等氧化石墨烯（G - M）和低氧化石墨烯（G - L）的电化学阻抗谱（EIS）图（插图为高频范围内的EIS图）。
Fig 5. a) 中等氧化石墨烯（G - M）微型超级电容器（MSC）的制备示意图。b) 置于聚乙烯醇（PVA）/氢氧化钾（KOH）凝胶电解质中的自支撑G - M MSC器件图片。c) 各种自支撑图案化薄膜的图像。d) 激光加工边缘的扫描电子显微镜（SEM）图像（插图为边缘的高分辨率SEM图像）。e, f) G - M MSC在不同扫描速率和电流密度下的循环伏安（CV）曲线和恒电流充放电（GCD）曲线。
g) 不同质量负载下G - M MSC的比电容。
Fig 6. a) 无基底的柔性自支撑微型超级电容器（MSC）的图片。b、c) 中等氧化石墨烯（G - M）微型超级电容器（MSC）在不同扫描速率和电流密度下的循环伏安（CV）曲线和恒电流充放电（GCD）曲线。d) 不同电流密度和扫描速率下的面电容。e) 平面和弯曲状态下的循环稳定性（插图为扫描速率为 10 毫伏 / 秒时不同弯曲角度下的循环伏安曲线）。f) 由自支撑微型超级电容器（MSC）点亮的发光二极管（LED）的照片。g) 10 个串联的微型超级电容器（MSC）在平坦和弯曲状态下的图片及其在 20 毫伏 / 秒时的循环伏安曲线。h) 中等氧化石墨烯（G - M）微型超级电容器（MSC）与已报道结果的能量和功率密度对比。i) 与其他微型超级电容器（MSC）器件相比，这项工作的优势。
相关研究工作由江苏大学Dawei Cao/ Yuan Liu团队于2024年在线发表在《Small》期刊上， Facile Preparation of High-Performance Free-Standing Micro-Supercapacitors by Optimizing Oxygen Groups on Graphene，原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202404307
转自《石墨烯研究》公众号
