新型高質量無添加劑石墨烯油墨可用于3D打印

中國科學報2024年5月8日報道，近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員吳忠帥團隊和中國石油大學（華東）吳明鉑教授團隊合作，在3D打印石墨烯微型超級電容器研究方面取得新進展。合作團隊開發出一種適用于3D打印的高質量無添加劑石墨烯油墨，研制出高集成密度、高輸出電壓和高電壓密度微型超級電容器。相關成果發表在《先進材料》第36卷第19期上。

石墨烯具有優異的力學、電學和熱學性能，因此石墨烯及其油墨在柔性電子器件、熱管理器件、生物材料器件等領域具有廣泛的應用前景。然而，現有的3D打印石墨烯油墨都涉及氧化石墨烯以及各類添加劑的使用，這不僅降低了器件的導電性、導熱性、能量密度，并且所需的冷凍輔助打印、還原后處理及冷凍干燥過程大大增加了工藝復雜性和成本，不能很好滿足3D打印石墨烯油墨的商業化應用需求。

本工作中，研究團隊以電化學陽極剝離的石墨烯、甘油及水為原料，開發出一種無高分子流變劑、性價比高，具有高魯棒性、環保性的3D打印石墨烯油墨。由該油墨打印出的微型電極或器件不含高聚物等非活性材料，降低了其對儲能及其他潛在應用領域的不利影響。團隊以EMIMBF4/PVDF-HFP離子凝膠為準固態電解質，提高了3D打印的石墨烯微型超級電容器的電化學性能，其面積比電容為4 900 mF/cm2，體積比電容為195.6 F/cm3，面積能量密度為2.1 mWh/cm2，體積能量密度為23 mWh/cm3，并且在3.5 V高電壓和100 °C高溫下實現了穩定的循環性能。此外，為了滿足實際電子器件對高工作電壓（gt;100 V）的要求，團隊還實現了3D打印的單片集成微型超級電容器的高集成器件數（188個器件），高集成密度（單位面積16個器件）、高輸出電壓（192.5 V）和高電壓密度（56 V/cm2）等。

該工作有望為石墨烯在3D打印領域的商業化提供科學基礎與應用指導。

（來源：中國科學報）