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Advanced Energy Materials:3D打印高面能量密度准固态非对称微型超级电容器

微型超级电容器因其具有高的功率密度和良好的循环稳定性而被认为是应用于各种小型化和便携式设备的可靠电源。然而超级电容器的能量密度一般都比较低,一个有效的途径就是通过构筑非对称超级电容器来扩大工作电压从而提高能量密度。目前组装非对称电容器的方法主要有喷涂法、激光刻蚀和硅基模板法等。这些方法往往需要复杂的工艺过程而且由于负载的活性物质量比较少而导致面能量密度偏低从而阻碍了微型超级电容器的进一步应用。3D打印技术作为一种先进的制造工艺,由于其可以快速构筑复杂的三维结构和设计的灵活性而在电子、生物医学和储能领域引起了广泛的研究兴趣。特别是近年来在电化学储能器件的构筑方面得到了初步的探索。

Advanced Energy Materials:3D打印高面能量密度准固态非对称微型超级电容器

近日,北京航空航天大学杨树斌课题组利用3D打印技术组装了准固态的非对称微型超级电容器。其中,正极活性材料五氧化二钒(V2O5)和负极活性材料石墨烯-氮化钒量子点(G-VNQDs)分别和氧化石墨烯溶液按照一定的比例配成具有高粘度(>104 Pa.s)和切力变稀性质的可打印墨水,氯化锂(LiCl)和聚乙烯醇 (PVA) 配成可打印的凝胶电解质。正负极墨水先后打印在叉指式的集流体上,经过后处理,将凝胶电解质打印在正负极的空隙。通过直接打印正极材料、负极材料和电解质来组装叉指式的非对称微型超级电容器对于传统的制造工艺来说是非常困难的。更重要的是,3D打印技术可以构建具有多层结构的电极,充分利用了垂直方向的空间从而提高其面能量密度。这对于只有有限面积的芯片储能元件是很关键的。测试表明,3D打印构筑的非对称微型超级电容器表现出高的面容量 (207.9 mF cm-2) 和面能量密度 (73.9 uWh cm-2)。

最后,我们相信这种简单、高效和低成本的构建非对称微型超级电容器的方法将满足下一代微型电源的高面能量密度的要求,并极大地促进片上储能系统的集成。

相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201800408) 上。

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