電子皮膚能量存儲的訣竅：石墨烯超級電容器的多孔多層噴塗技術

2020-10-15 柔智燴

電子皮膚能量存儲的訣竅：石墨烯微型超級電容器的多孔多層墨水噴塗技術

【導讀】：

在可穿戴和醫療技術領域，在高度柔性和生物相容性基板上開發多功能設備受到了極大的關注。為了通常在單個平臺上實現這種獨特的技術，採用具有足夠效率的高度柔性且可嵌入的能量存儲設備作為電源至關重要。本文引入了一種通用且可擴展的方法來製造平面和對稱的微型超級電容器，該電容器可以安裝在任何複雜的表面上。通過石墨烯墨水的角噴塗在高度柔性和超薄基板上開發的微型超級電容器表現出出色的性能，最大面電容為〜8.38 mF / cm 2彎曲半徑為1.8毫米的操作靈活性。該設備還顯示出出色的機械穩定性，可進行10,000次彎曲循環，具有高比電容（〜22 F / g）和功率密度（〜1.13 kW / kg），通常在100 mV / s的掃描速率下即可。此外，關於mSC的皮膚可安裝和可包裹特性的論證強調了它們作為各種表皮和可穿戴設備的嵌入式電源的適應性。

DGIST的研究人員找到了一種廉價的方法來製造微型能量存儲設備，該設備可以為其他可穿戴式皮膚傳感器和其他電子設備提供有效的動力，從而為遠程醫療監控和診斷以及可穿戴設備鋪平了道路。

他們的發現發表在《Nano Energy》雜誌上（"極其柔性且機械耐用的平面超級電容器：電子皮膚電子產品的高能量密度和低成本電源"， "Extremely flexible and mechanically durable planar supercapacitors: High energy density and low-cost power source for E-skin electronics"）。

大邱慶北科技大學（DGIST）的材料科學家Sungwon Lee和Koteeswara Reddy Nandanapalli與韓國同事一起開發了製造工藝。成功的關鍵是在特定的角度和溫度下將一定量的石墨烯墨水噴塗到柔性基材上。

微型微型超級電容器具有相互交叉的電極，可以製造在柔性基板上，從而有可能集成到電子皮膚設備中。

Lee說："對遠程診斷和可穿戴設備的需求正在迅速增加，因此，許多科學家將他們的研究重點集中在開發各種電子皮膚設備上，這需要極小且靈活的能源設備作為電源。"對微型超級電容器充電時，正負電荷會積聚在其電極上並作為能量存儲。與電池相比，這些設備的充電和放電時間短，但是它們不能存儲太多能量。

改善微型超級電容器性能的另一種方法是通過製造帶有互鎖齒的電極（如兩個梳子的齒）來增加可存儲的能量。但是此過程很昂貴，並且不適用於對溫度敏感的柔性基板。更直接的解決方案是將石墨烯噴塗到柔性基板上，但是垂直噴塗導致電極不是很多孔並且具有緻密的層，從而使其性能較差。

而石墨烯是用於改善其能量存儲的有前途的材料，因為石墨烯電極是高度多孔的，因此為發生必要的靜電反應提供了較大的表面積。

Lee，Nandanapalli及其同事將石墨烯墨水噴塗到薄而柔軟的基板上，從而製造出具有互鎖電極和出色性能的，紙質薄的微型超級電容器。

他們探索的訣竅是在45°角和80°C的溫度下將十毫升的石墨烯墨水噴塗到柔性基板上。這導致形成多孔的多層電極。該團隊的微型超級電容器薄了23微米，比紙薄了十倍，並且在彎曲10,000次後仍保持其機械穩定性。它每平方釐米可以存儲約8.4微法拉的電荷（比今天報導的值高2倍），功率密度約為1.13千瓦/千克（比鋰離子電池高4倍）。該團隊證明了它可以用於粘附在皮膚上的可穿戴設備中。

"我們的工作表明，有可能減小用於柔性設備的微型超級電容器的厚度，而不會降低其性能，" Lee說。該團隊的下一個目標是提高微型超級電容器的存儲容量和能耗，以使其可用於現實世界的電子皮膚設備。

相關焦點

  • 石墨烯超級電容器:介紹和新聞
    石墨烯常被認為是超級電容器中活性炭的替代品，部分原因是其相對表面積高(甚至比活性炭的相對表面積更大)。表面積是電容的限制之一，表面積越大，靜電電荷的存儲效果越好。此外，石墨烯基超級電容器將利用其輕質、彈性和機械強度。據稱，石墨烯基超級電容器儲存的能量幾乎和鋰離子電池一樣多，充電和放電只需幾秒鐘，而且可以維持數萬次充電循環。
  • 基於3D雷射誘導的石墨烯泡沫超級電容器陣列的供能策略
    柔性可穿戴電子器件具有質輕、易結合皮膚、能承受力學變形，逐漸在日常生活中嶄露頭角。另外，人體從機械運動、關節旋轉等過程可以產生可用的電能，這就給利用先進的能量收集技術給柔性可穿戴電子器件供能提供了極好的機會。因此，設計自供能、可穿戴電子器件有望實現這些設備的永久供能，具有重大科學意義和應用前景。
  • 超級電容器能快速充電又有高能量和功率密度
    蓋世汽車訊 據外媒報導，英國倫敦大學學院（University College London）的研究人員研發了一款超級電容器，雖然仍處於概念驗證階段，仍顯示出了巨大潛力，可作為可攜式電源，用於電動汽車、手機和可穿戴技術等。該款電容器解決了大功率、快速充電的超級電容器面臨的問題，即它們通常不能在一個小空間內存儲大量能量。
  • 攻克柔性電子充電,實現石墨烯力學傳感器自充電
    因此，設計可穿戴的自供能電子器件有望實現這些設備自身的永久供能，具有重大科學意義和應用前景。為此，研究團隊考慮通過設計柔性可延展納米發電機將人體機械能傳化為電能，並將其存儲於柔性可延展微型超級電容器陣列，從而實現基於褶皺石墨烯的力學傳感器的自供能。
  • 中美科學家攻克柔性電子充電,實現石墨烯力學傳感器自充電
    因此，設計可穿戴的自供能電子器件有望實現這些設備自身的永久供能，具有重大科學意義和應用前景。為此，研究團隊考慮通過設計柔性可延展納米發電機將人體機械能傳化為電能，並將其存儲於柔性可延展微型超級電容器陣列，從而實現基於褶皺石墨烯的力學傳感器的自供能。
  • 齊齊哈爾大學:3D多孔富氧石墨烯水凝膠,具有對稱的超級電容器
    成果簡介 通過一步法水熱法製備3D多孔富氧石墨烯水凝膠（POGH），該方法採用氧化石墨烯和少量酸性穀氨酸作為羧基源，還原劑，氮摻雜劑，以及孔徑和密度調節器同時進行。由於高含氧官能團含量和高密度，通過氮摻雜修復的石墨烯片結構，3D互連的多孔網絡和較大的比表面積，所獲得的POGHs無粘結劑電極在6M中具有出色的電化學性能KOH電解質。特別是，基於POGH-30的對稱超級電容器顯示出均衡的體積電容（241.1 F cm -3）和重量電容（256.5 F g -1）在0.5 A g -1時，即使在10 A g -1時也可以保持91.8％。
  • 共價有機骨架多孔有機材料，提升超級電容器的容量
    共價有機骨架多孔有機材料，提升超級電容器的容量超級電容器使用的技術與可再充電電池中使用的可逆化學反應有很大不同。它們通過建立正電荷和電荷的分離來存儲電能，這種能力使他們能夠提供所需的快速能量爆發，例如，為電動汽車的加速提供動力或打開飛機上的緊急門。但是，它們的缺點是可以存儲的能量相對較低，這種特性稱為能量密度。阿卜杜拉國王科技大學KAUST研究中心生產的一種多孔有機材料可以顯著改善超級電容器的能量存儲和傳遞，超級電容器是能夠傳遞快速而有力能量的裝置。
  • 微流控法製備分層多孔超導炭黑/石墨烯雜化纖維用於超級電容器
    全固態柔性纖維狀超級電容器。全固態纖維狀超級電容器具有高體積電容，出色的能量密度和出色的長期循環穩定性。成果簡介 隨著人們對可穿戴，便攜，靈活的紡織電子產品的需求不斷增長，這一領域和技術引起了極大的關注。
  • 東華大學朱美芳和清華大學張躍鋼課題組--可擴展微凝膠紡絲三維多孔石墨烯纖維用於高性能柔性超級電容器
    石墨烯纖維基超級電容器正在成為最有前途的可穿戴電子儲能設備之一。
  • 技術解析:我國石墨烯基超級電容器研究進展
    超級電容器是最具應用前景的電化學儲能技術之一。目前，超級電容器的研究重點是提高能量密度和功率密度，發展具有高比表面積、電導率和結構穩定性的電極材料是關鍵。石墨烯因具有比表面積大、電子導電性高、力學性能好的特點而成為理想的電容材料，但石墨烯的理論容量不高，在石墨烯基電極製備過程中容易發生堆疊現象，導致材料比表面積和離子電導率下降。
  • 晶片超級電容器又添新材料
    據德國《光譜》雜誌網站近日報導，芬蘭國家技術研究中心（VTT）研究團隊最近把目光轉向了一種「不可能」的弱電材料——多孔矽，為了把它變成強大的電容器，團隊創新性地在其表面塗了一層幾納米厚的氮化鈦塗層，使其性質得以改變。　　該團隊負責人麥卡·普倫尼拉解釋說，因化學反應導致的不穩定性和高電阻導致的低功率，不帶塗層的多孔矽本是一種極差的電容器電極材料。
  • 合肥研究院等研製出硫摻雜石墨烯基柔性全固態超級電容器
    為滿足人們對柔性可穿戴電子產品日益增長的需求，迫切需要發展柔性全固態功率源或能量儲存裝置。要想實現這一目的，關鍵在於設計開發出兼具優異儲能和機械性質的電極材料。雜原子摻雜石墨烯以及2D層狀金屬硫化物(LMCs)納米結構的出現，為高性能電極材料的設計帶來了新的契機，但其儲能性能(能量密度、循環穩定性等)尚需進一步提高。
  • 基於3D雷射誘導石墨烯的可伸縮微型超級電容器自供電可穿戴設備
    微型超級電容器是可以補充或替代鋰離子電池的能量存儲設備，具有佔地面積小，功率密度高以及能夠快速充電和放電的能力。程煥宇教授指出，當為可穿戴設備製造時，常規的微型超級電容器具有堆疊的幾何形狀，顯示出較差的柔韌性。
  • 石墨烯電極用於高性能超級電容器
    近日，合肥物質科學研究院固體物理研究所Wang Zhenyang教授領導的研究小組報導了一種製備具有超高儲能密度的高性能超級電容器的新方法。構建具有超厚和豐富離子傳輸路徑的三維石墨烯框架，對石墨烯超級電容器的實際應用具有重要意義。然而，在較厚的電極中，由於離子向電極材料表面輸送不足，電子傳輸性能較差，整體儲能能力受到限制。
  • 石墨烯複合材料在超級電容器中的研究進展
    在石墨烯諸多性質中，其中比表面積高和導電性好，最重要的是石墨烯本身的電容為21μF/cm2，達到了所有碳基雙電層電容器的上限，這比其他碳材料都要高，是製造超級電容器的理想材料。超級電容器(Supercapacitors)，也叫電化學電容器(Electrochemical capacitors)是一種能量密度和功率密度介於傳統電容器和電池之間的新型儲能器件，超級電容器兼具蓄電池和傳統電容器的優點，如能量密度高、功率密度高、可快速充放電、循環壽命長、具有瞬時大電流放電及對環境無汙染等特性，是近十年來發展起來的新型儲能、節能設備。
  • 磷酸氧釩類石墨烯結構實現高能量密度柔性超級電容器
    近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室在二維類石墨烯研究領域取得新進展。研究人員利用新型無機二維超薄結構構建了高氧化還原電位且最優能量密度的柔性平面超級電容器。 近年來，由於可攜式電子器件突飛猛進的發展，柔性薄膜型儲能器件能夠實現能量供給的同時兼具柔性、超薄甚至透明特性而廣受關注。儘管超薄二維石墨烯/類石墨烯材料在構建柔性超級電容器表現出強勁優勢，但是目前高電化學活性的電極材料的進展依然不盡人意，無法滿足目前薄膜型超級電容器對高能量密度的迫切需求。
  • 石墨烯基超級電容器產業化提速
    原標題：石墨烯基超級電容器產業化提速 摘要 近日中科院大連化物所在石墨烯基超級電容器研究取得新進展，實現了在一個基底上製造具有任意形狀的超級電容器及其模塊化集成
  • 可攜式儲能它最行 走近石墨烯柔性超級電容器
    由臺式機向筆記本電腦、座機向行動電話的轉變，都表明人類對電子設備的要求已不僅僅局限在「可使用」，而是逐步向便攜化邁進。這就要求電子設備的儲能系統必須具備長時間的供電能力，才可使電子設備脫離電源線的約束，成為方便使用的可移動裝置。超級電容器是一種新型的儲能器件，具有高容量、高功率密度、高充放電速度等優點。
  • 基於新型石墨烯/聚噻吩超級電容器研究
    基於新型石墨烯/聚噻吩超級電容器研究 1.本項目研究的意義及同類研究工作國內外研究現狀與存在的問題，並列出主要參考文獻。  超級電容器是一種性能介於電池與傳統電容器之間的新型儲能器件，具有功率密度高、充放電速度快、使用壽命長等優點，有著廣闊的應用前景，如可用於可攜式儀器設備、數據記憶存儲系統、電動汽車電源及應急後備電源等。
  • 新型石墨烯-釩柔性混合電池/超級電容器能量密度直接翻倍
    加拿大皇后大學石墨烯集成功能技術(GIFT)研究小組的研究人員開發了一種新型石墨烯柔性混合電池-超級電容器裝置。混合電池/超級電容器的結構圖像該裝置由高比表面積電極與電解質組合而成，電解質中含有可以兩種以上氧化狀態存在的氧化還原物質