【摘 要】
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柔性和可穿戴电子产品的快速发展促进了对微型化和可弯曲储能设备的强烈需求。超级电容器作为重量轻、厚度薄、安全且高性能的储能装置,尤其是以石墨烯为电极材料的柔性平面微型超级电容器,受到了广泛关注。虽然近年来设计和开发石墨烯基柔性平面微型超级电容器取得了令人瞩目的进展,但其仍面临诸多困难,如简易快速且低成本的高品质石墨烯的制备方法、石墨烯电极的微加工技术以及柔性基材的选择等问题。基于以上存在的问题,本文
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柔性和可穿戴电子产品的快速发展促进了对微型化和可弯曲储能设备的强烈需求。超级电容器作为重量轻、厚度薄、安全且高性能的储能装置,尤其是以石墨烯为电极材料的柔性平面微型超级电容器,受到了广泛关注。虽然近年来设计和开发石墨烯基柔性平面微型超级电容器取得了令人瞩目的进展,但其仍面临诸多困难,如简易快速且低成本的高品质石墨烯的制备方法、石墨烯电极的微加工技术以及柔性基材的选择等问题。基于以上存在的问题,本文以电化学剥离的高质量石墨烯为研究对象,采用新颖的微加工工艺,制得了纸基柔性平面集成微型超级电容器,并对其开展了深入研究,主要包括以下内容:(1)以石墨纸为原料,通过电化学剥离方法在浓硫酸及硫酸铵电解质溶液中获得品质较好的石墨烯。为了满足基材便宜、环保的要求,将可再生且多孔的纸作为柔性基底应用于超级电容器。受日常应用中的光敏印章技术的启发,开发了一种新颖而巧妙的光敏印章辅助掩模技术用于在柔性纸基底上形成平面叉指电极图案,然后通过石墨烯的自沉积制成纸基石墨烯叉指电极,最后涂覆上凝胶状电解质,封装得到全固态柔性平面微型超级电容器。实验结果表明,纸基石墨烯柔性超级电容器具有4.02m F·cm-2的高比电容、0.43m W·cm-2的功率密度和0.52μWh·cm-2的能量密度,并且在弯曲状态下显示出良好的柔性和稳定的电化学性能,具有出色的循环寿命。(2)在浓硫酸和稀硫酸的电解质溶液中通过电化学剥离方法同样实现了高质量石墨烯的快速制备,在光敏印章辅助掩模技术的基础上提出了一种更加简单、低成本的激光雕刻辅助印模技术,该技术基于自沉积电化学剥离的石墨烯制备柔性纸基平面微型超级电容器。实验结果表明以此技术制备的柔性纸基面内石墨烯微型超级电容器具有出色的电化学性能,具有3.1m F·cm-2的显著面积比电容,0.38m W·cm-2的功率密度及0.5μWh·cm-2的能量密度。令人兴奋的是,即使在10000次循环后,电容仅损失4.2%。在不同角度的弯曲条件下,纸基石墨烯柔性超级电容器基本没有明显的性能损失。此外,本文进一步具体探究了扫描速率、电流密度、叉指间距和电极厚度对比电容的影响。本文设计的以电化学剥离的石墨烯为电极材料的纸基柔性超级电容器有良好的电化学稳定性,超长循环寿命以及优异的机械柔性,具有集成到可穿戴和便携式储能产品中的巨大潜力。更重要的是,本文开发的光敏印章辅助掩模技术和激光雕刻辅助印模技术具有实用、安全以及低成本的特点,为大规模生产所需的具有复杂图案的纸基电极及其他微结构开辟道路。
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