【摘 要】
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柔性平面的微型超级电容器（MSCs）具有体积小、易于集成化和便于拓展等优点,已成为可穿戴和便携式电子器件中最重要的储能器件之一。然而,大多数工艺都涉及电极材料的独立制备、电极形状的设计和随后的模块化集成,使得步骤非常复杂,并且超级电容器的比电容量低的缺点限制了其在实际环境下的应用。本文研究了基于激光直写技术制备平面形状可控的过渡金属氧化物纳米颗粒均匀嵌入在不同柔性基底上的激光诱导石墨烯超级电容器,
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柔性平面的微型超级电容器（MSCs）具有体积小、易于集成化和便于拓展等优点,已成为可穿戴和便携式电子器件中最重要的储能器件之一。然而,大多数工艺都涉及电极材料的独立制备、电极形状的设计和随后的模块化集成,使得步骤非常复杂,并且超级电容器的比电容量低的缺点限制了其在实际环境下的应用。本文研究了基于激光直写技术制备平面形状可控的过渡金属氧化物纳米颗粒均匀嵌入在不同柔性基底上的激光诱导石墨烯超级电容器,具体研究内容如下:设计并研制了基于激光诱导二氧化锰/石墨烯复合电极的柔性超级电容器（Mn O2/LIG MSCs）和基于激光诱导氧化铁/石墨烯复合电极的柔性超级电容器（Fe Ox/LIG MSCs）。研究了过渡金属氧化物复合电极的制备工艺,优化了工艺流程并得到了过渡金属氧化物纳米颗粒均匀嵌入到激光诱导石墨烯（LIG）中的复合电极,该复合电极得益于双电层和赝电容的协同作用可提高超级电容器的比电容量;研究了电极形状、激光直写雕刻时激光功率和激光扫描速率对超级电容器的性能影响;在优化的工艺流程和激光参数下制备了高性能的柔性超级电容器并测试了其性能,结果表明在5 m V s-1的扫描速率下,Mn O2/LIG MSCs具有15.04 m F cm-2的高面积比容量,相应的能量密度为1.34 m Wh cm-2;经过10000次循环电容的保持率仍有86.4%。另外,在5 m V s-1扫描速率下,Fe Ox/LIG MSCs具有27.50 m F cm-2的高面积比容量,相应的能量密度为2.44 m Wh cm-2;经过10000次循环电容的保持率仍有82.5%。将几组超级电容器集成在一起用作LED灯和电子表的电源,成功点亮了LED灯和驱动了电子表,另外该超级电容器对不同衬底（PI、布和纸等基底）有较好的适应性。通过激光直写技术将过渡金属氧化物纳米颗粒均匀嵌入到3D多孔结构的LIG电极中,可以有效地提高电极的浸润性,从而显著地增强水系电解质MSCs的电化学储能特性,同时制备的MSCs还具有良好的机械灵活性和显著的模块集成性,从而拓展了柔性可穿戴电子设备的应用领域。
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