噴墨打印制備柔性電極構筑超級電容器

哈爾濱工程大學(xué)李茹民教授課題組以過(guò)渡金屬硫化物和石墨烯為電極活性材料，通過(guò)搭載精確的溫度控制系統的MicroFab Jetlab?Ⅱ噴墨打印系統，構筑了具有優(yōu)勢結構的電極。制備的Ni*S4/Co S/r GO@CC電極，在1 A·g-1下的比電容高達10*2.8 F·g-1,10 A·g-1循環(huán)2000次之后電容保持率為8*.2*%。組裝非對稱(chēng)超級電容器具有2** F·g-1的高比電容以及**.6* Wh·kg-1的高能量密度。此外,該器件還具有出色的循環(huán)穩定性,1* A·g-1的電流密度下循環(huán)2000次之后僅有12.1*%的電容衰減。

超級電容器（SCs）作為一種極具潛能的電化學(xué)儲能裝置，具有功率密度高、循環(huán)壽命長(cháng)、充放電速度快、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于新能源汽車(chē)、風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電、軌道交通以及便攜式電子設備等領(lǐng)域，在超級電容器的結構中，電極是決定 SCs 整體性能最關(guān)鍵的結構， 決定著(zhù) SCs 的能量密度、功率密度和循環(huán)穩定性等主要性能指標。 因此構筑高性能、低成本的新型結構電極是提升 SCs 整體性能的有效途徑。 噴墨打印技術(shù)作為一種數字化、無(wú)接觸、無(wú)掩模、高精度的打印技術(shù)，已經(jīng)成為納米制造印刷電子、傳感器和能源設備的一種潛在的經(jīng)濟方法。 本文通過(guò)噴墨打印技術(shù)，以過(guò)渡金屬硫化物和石墨烯為電極活性材料制備了具有優(yōu)勢結構的電極，擁有很強的實(shí)際應用能力。

介紹

制備過(guò)程噴墨打印設備均由美國MicroFab公司的Jetlab?Ⅱ納米材料沉積噴墨打印系統進(jìn)行的，儀器的照片如圖1 。該儀器通過(guò)壓電噴墨的方式進(jìn)行材料的打印沉積，并且搭載了精確的溫度控制系統，可以根據需要調控基板溫度。此外，該系統預置了多種打印模式，可以根據需要選擇矩形陣列、點(diǎn)陣列、線(xiàn)陣列或自定義打印圖案進(jìn)行打印。打印時(shí)，具體打印參數設置如下：運動(dòng)模式選擇直線(xiàn)升降，空載電壓0V，恒定電壓與回波電壓分別為*0V、-*0V，上升/下降時(shí)間均為*μs，保壓時(shí)間與回波時(shí)間分別為*0μs、*0μs。選擇噴嘴直徑為80μm的噴頭進(jìn)行噴墨打印。

▲ MicroFab 高精度納米材料沉積噴墨打印系統 Jetlab?Ⅱ

制備Mo S2/N-r GO/Ag紙基柔性電極，構筑對稱(chēng)超級電容器

噴墨打印使材料在基底上均勻分布，在經(jīng)過(guò)處理的 A4 紙上噴墨打印氧化石墨烯（GO）墨水，打印間距設置為*0μm，兩面各打印三層，而后在水合肼中進(jìn)行還原，標記為rGO@P電極，然后將二硫化鉬Mo S2/N-r GO墨水，以還原后的rGO@P電極為基底，調節點(diǎn)間距設置為*0 μm，載物臺溫度設置為60℃，正反兩面均重復打印10次，干燥，得到Mo S2/N-r GO@P電極。隨后，在Mo S2/N-r GO@P電極上繼續打印*層銀納米線(xiàn)（Ag NWs）墨水，打印參數同上，增加電極導電性，減小內阻。制備出Mo S2/N-r GO/Ag@P電極。使用所制備電極構筑對稱(chēng)超級電容器（Mo S2/N-r GO/Ag@P SSC）。

Mo S2/N-r GO/Ag@P SSC 的CV和GCD測試如圖2所示：

▲ 圖2

CV曲線(xiàn)呈現矩形狀，沒(méi)有出現氧化還原峰，表明器件具有理想的雙電容特性和優(yōu)異的快速充放電特性。隨掃描速率增加，CV曲線(xiàn)整體形狀變化不大，表明該器件具有良好的穩定性。GCD曲線(xiàn)呈近似對稱(chēng)的三角形，也進(jìn)一步表明該器件具有良好的電化學(xué)可逆性。充放電循環(huán)1000次之后，器件比電容為1.** mF·cm-2，保留初始電容的**.2%，表明制備的Mo S2/N-r GO/Ag@P SSC具有良好的循環(huán)穩定性。

制備N(xiāo)i*S4/NiS/r GO@CC柔性電極構筑非對稱(chēng)超級電容器

將1*mg Ni*S4/NiS/r GO納米片超聲分散在8mL去離子水中，分散均勻后，加入2mL乙二醇調節粘度，繼續攪拌1h，制得Ni*S4/NiS/r GO噴墨打印墨水。使用 Jetlab?Ⅱ噴墨打印將材料沉積在碳布基底上，打印平臺溫度60℃，打印時(shí)墨滴間距設置為*0μm，正反各打印三層。打印完成后，繼續在表面打印沉積一層GO。而后，在水合肼中將GO還原為r GO，干燥后，制得具有包覆結構的 Ni*S4/NiS/r GO@CC電極。以Ni*S4/NiS/r GO@CC電極和活性炭電極為正負極，構筑非對稱(chēng)超級電容器（Ni*S4/NiS/r GO@CC//AC ASC）。

Ni*S4/NiS/r GO@CC//AC ASC的CV和GCD測試如圖*所示：

▲ 圖*

CV曲線(xiàn)可以發(fā)現，隨著(zhù)掃描速度的增加，電流密度增大，曲線(xiàn)所圍成的封閉積分面積逐漸增大，但是其整體形狀沒(méi)有發(fā)生變化，表明該非對稱(chēng)電容器的倍率性能良好。從Ni*S4/NiS/r GO@CC//AC ASC的GCD曲線(xiàn)可以看到隨電流密度增大，充放電時(shí)間逐漸縮短，但是曲線(xiàn)仍然呈現出較好的對稱(chēng)性，表明非對稱(chēng)電容器具有較好的電容性能和優(yōu)異的電化學(xué)反應可逆性。根據充放電曲線(xiàn)以及比電容，20 A·g-1時(shí)，電容倍率性能為**.2%。超級電容器SCs的循環(huán)壽命是評價(jià)其實(shí)際應用性能的重要指標，經(jīng)過(guò)2000次循環(huán)之后，超級電容器比電容由開(kāi)始的 10*.* F·g-1下降到 82.* F·g-1，電容保持率為*6.*%，展示出較好的循環(huán)穩定性能。能量密度和功率密度是評價(jià)SCs整體性能的重要指標，當功率密度為800 W kg-1時(shí)，Ni*S4/NiS/r GO@CC//AC ASC的能量密度可以達到**.2Wh kg-1；當功率密度達到1.6kW kg-1時(shí)，能量密度仍然能達到64.1*Wh kg-1。如表1所示與類(lèi)似的材料進(jìn)行對比，可以發(fā)現基于噴墨打印制備的 Ni*S4/NiS/r GO@CC//AC ASC在能量密度方面具有明顯優(yōu)勢。

▲ 表1

結論

噴墨打印作為一種新興的薄膜制造工藝，優(yōu)勢明顯。在構筑超級電容器領(lǐng)域，可以制備出性能突出的結構電極，在沉積材料過(guò)程中，精準打印使材料分布均勻。使得制備的電極具有優(yōu)異的電化學(xué)性能以及良好的循環(huán)穩定特性。對超級電容器的能量密度、功率密度和循環(huán)穩定性均有明顯性能提升優(yōu)勢。

參考資料：

021yin.comki.ghbcu.2021.000*2*.

關(guān)于MicroFab

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MicroFab技術(shù)公司

MicroFab Technologies, Inc.

MicroFab 技術(shù)公司成立于1*84年，是開(kāi)發(fā)基于壓電噴墨（Inkjet Print）的制造技術(shù)和儀器的先驅。在納米材料沉積噴墨領(lǐng)域MicroFab有著(zhù)*0多年的研發(fā)積累，以及廣泛的行業(yè)和應用經(jīng)驗。

MicroFab 的 Inkjet 噴墨打印技術(shù)適用于前沿技術(shù)或實(shí)驗室的各種材料及器件的研究，可實(shí)現在速度、精度和尺寸特征上均有優(yōu)異且穩定表現的液體及焊料的按需分配，可噴射的液體包含但不限于納米金屬溶液，OLED發(fā)光材料，石墨烯，碳納米管，粘合劑，光學(xué)和電子聚合物，以及包括診斷試劑，蛋白質(zhì)和DNA及活體細胞等的生物醫學(xué)材料。

MicroFab 通過(guò)提供咨詢(xún)服務(wù)，應用程序開(kāi)發(fā)服務(wù)，定制研發(fā)服務(wù)和設備銷(xiāo)售，為客戶(hù)的微分配或精密打印要求提供解決方案。全球*00多家組織，包括知名實(shí)驗室、科研院所、高等院校、頭部企業(yè)等，正在使用MicroFab產(chǎn)品。

為保證服務(wù)質(zhì)量，MicroFab 指定睿度光電為中國地區合作伙伴，負責中國地區業(yè)務(wù)運營(yíng)，包括產(chǎn)品銷(xiāo)售、售后服務(wù)及技術(shù)支持等。

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