激光网2月27日消息，从智能手表到AR眼镜，可穿戴设备的激增需要越来越小的车载能源解决方案，这些解决方案可以在保持不显眼的情况下提供爆发的功率。刚性纽扣电池限制了设备的灵活性和人体工程学。领先的微尺度替代品包括微型超级电容器 ,由于高度多孔的电极材料与电解质连接，它可以快速存储和释放能量。
超级电容器的快速充电能力和对重复充电循环的适应能力使其对补充电池具有吸引力。然而，生产设计复杂且性能出色的 MSC 设备的困难将 MSC 限制在实验室中。传统的制造技术缺乏合适的精度、灵活性和可扩展性。
现在，中国的研究人员展示了一种突破性的无添加剂3D打印工艺，以构建具有前所未有的电化学指标和无缝可集成性的复杂石墨烯MSC。这一进步克服了普遍存在的制造限制，并更接近对下一波颠覆性可穿戴设备至关重要的片上MSC阵列。
研究结果已发表在Advanced Materials上。
石墨烯具有显著的物理性能和较大的比表面积，是理想的MSC电极材料。但事实证明，将原始石墨烯分散到可印刷的油墨中是很困难的。研究人员经常依赖氧化石墨烯策略，添加各种性能抑制化学品来控制油墨流变性。随之而来的印刷后化学还原要求进一步增加了复杂性。
这项新研究首次展示了一种具有出色印刷适性的无添加剂石墨烯墨水，允许复杂的MSC电极结构进行3D打印，而无需任何冻结或后处理。这一突破的关键是一种电化学剥离技术，该技术可产生高质量的少层石墨烯片，并增强边缘平面曝光。这些石墨烯纳米片可以分散到简单的甘油/水溶液中，以创建为基于挤出的3D打印量身定制的中等粘度油墨。
使用新型墨水进行打印，可构建占地面积小至 0.025 cm2 的 MSC.纯石墨烯电极具有出色的电化学性能，包括 4900 mF cm−2 的出色面电容体积电容为 195.6 F cm−3– 超过大多数其他印刷 MSC。
由 10 层打印的优化 MSC 结构实现了前所未有的 2.1 mWh cm−2 面能量密度体积能量密度为 22 mWh cm−3.测试证明其具有出色的循环稳定性，10000 次循环后电容保持率为 83%。
通过3D打印MSC阵列，在5.625cm2内具有90个紧密集成的细胞，证明了制造可扩展性面积。电池之间的性能均匀性很强，能够集成到超过 190 V 的高压堆栈中，这是印刷 MSC 实现的最高输出。该团队打印了每厘米最多 16 个细胞的异常结果2，显示了定制大型 MSC 组件的潜力。
无添加剂石墨烯 3D 打印提供的可定制性为探索和优化 MSC 设计提供了令人兴奋的机会。研究人员验证了不同架构、无线充电线圈和雪花状图案中指间电极的高质量打印。现在可以构建具有集成 MSC 阵列和其他印刷组件的混合器件，以满足微电子创新的功率需求，如芯片实验室生物传感器和柔性显示器。
虽然取得了相当大的进展，但在无添加剂石墨烯3D打印能够实现无处不在的微型超级电容器之前仍然存在问题。常用电解质的相当大的挥发性和可燃性可能会限制应用。购买用于挤出印刷的专用设备可能会为更广泛地采用带来财务障碍。石墨烯油墨生产必须具有成本效益。
此外，可实现的打印分辨率和最小特征尺寸可能尚未达到光刻的分辨率和最小特征尺寸。超过 100000 次循环的长期耐久性也需要进一步改进，以实现具有竞争力的商业寿命。未来的工作应该量化每个设备的精确制造成本，并探索减轻对某些电解质成分的毒性问题。尽管如此，可定制性和电化学性能的显著进步仍显示出为创造性的 MSC 设计赋能的巨大前景。
真实世界的演示显示，MSC 成功地为 42 个 LED 灯显示器供电。由于可扩展到工业级生产，所提出的技术提供了一条途径，最终将石墨烯MSC实现为一种颠覆性的微尺度储能解决方案，准备集成到可拉伸的电子应用中。除了储能之外，强大的高分辨率3D打印能力为基于石墨烯的器件在医疗、能源和计算领域开辟了可能性。
高性能石墨烯MSC增材制造的这一突破为通过灵活技术满足各种电力需求打开了大门。3D打印具有定制几何形状的复杂纯石墨烯电极的能力有助于探索和优化一系列可穿戴设备的设计。卓越的电化学指标超越了以往关于印刷 MSC 的报告，可实现更小但更持久的储能集成。
研究人员指出了潜在的应用，从为实验室芯片生物传感器和电子纺织品健康监测器供电，到驱动软机器人进行搜索和救援。此外，专门的MSC架构有朝一日可能会在扩展电动汽车续航里程方面发挥作用。
随着无添加剂 3D 打印解锁新发现的电极复杂性，现在的关键问题包括：量身定制的 MSC 几何形状能否带来即时功率调节等功能?这项创新能否实现全3D打印的柔性设备?您有一天会购买定制的石墨烯 MSC 包来满足您的小工具的确切功率需求吗?随着增材制造和材料科学之间相互作用的加速，大门继续打开，以创造性地进一步推动 MSC 实用性。
