激光直写法制备纸基微型超级电容器

郭松铭

摘 要：超级电容器（supercapacitors），又也称电化学电容器（electrochemical capacitors），是一种新型电化学储能器件，具有能量密度高、功率密度高、充放电时间短、使用寿命长、免维护、制造成本低以及环境友好等特点[1]。碳纳米管凭借其优异的导电性能和机械性能等优势，成为一种理想的微型超级电容器用电极材料。本文利用相对廉价的纸作为柔性基底，将适量的碳纳米管导电浆料均匀涂覆在纸基表面，并利用激光直写法刻绘出微型电极图案，最终组装成全固态的纸基柔性微型超级电容器。采用扫描电镜（SEM）表征了碳纳米管的微观形貌，同时利用循环伏安法（CV）、恒流充放电法（GCD）以及电化学交流阻抗（EIS）等电化学测试技术探究了纸基微型超级电容器的电化学性能和柔韧性。

关键词：纸基;碳纳米管;微型超级电容器

中图分类号：O613.71;TM53 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）07-0238-03

0 引言

随着化石能源的逐渐短缺，以及燃烧化石能源引起的环境污染问题日趋严重，人们开始探索新型的可持续清洁能源，例如太阳能、风能、潮汐能和地热能等，但是这些能源属于间歇式能源，并且严重受限于周期地理环境的影响，因此需要存储在化学电池和超级电容器等电化学储能设备中并按需使用。其中，超级电容器（Supercapacitors）具有比化学电池更大的功率密度，比传统电解电容器更大的能量密度，并且充放电速率快、循环寿命长以及绿色安全[2]等优势，因而引起了研究者的广泛关注。

本文以纸作为柔性基底，利用玻璃棒将适量碳纳米管导电浆料均匀涂覆在纸基表面，随后采用一步激光直写法刻绘出叉指型的微型电极图案，最终滴加凝胶电解液组装成全固态的纸基微型超级电容器。采用扫描电镜（SEM）对碳纳米管的微观形貌做了表征，并利用循环伏安（CV）、恒流充放电（GCD）和电化学交流阻抗（EIS）等电化学测试手段探究了纸基微型超级电容器的电化学性能及其柔韧性。

1 实验过程

1.1 实验仪器

电热鼓风干燥箱;CHI760E电化学工作站;光学显微镜;扫描电子显微镜;激光切割机;通风橱;玻璃棒;亚克力板。

1.2 实验试剂

碳纳米管导电浆料;聚乙烯醇（PVA）/硫酸（H2SO4）凝胶电解液（H2SO4：1mol/L）;导电铜胶带。

1.3 制备微型纸基超级电容器

首先将纸基底平铺在亚克力板上，利用玻璃棒将适量的碳纳米管导电浆料均匀涂覆在纸基底表面，然后在烘箱中60℃干燥2小时;然后将涂覆有碳纳米管的纸基底平铺在亚克力板上，置于激光切割机内，纸表面距离激光探头5mm，激光功率设置为30%，激光速率设置为70%，按照预先设计好的图案进行激光刻绘，得到叉指型的微型电极图案;最后，滴加数滴PVA/H2SO4凝胶电解液，在通风橱中自然干燥10小时，得到全固态的微型超级电容器。

1.4 材料表征

（1）扫描电镜（SEM）。采用扫描电子显微镜Nova NanoSEM 450观察样品形貌。SEM测试在腔体2.86×10-3、电子束10-8、扫描电压10V、束流3.0的条件下进行。（2）电化学测试。将所制备的纸基微型超级电容器用导电铜胶带引出两端电极，并在聚乙烯醇（PVA）/硫酸（H2SO4）的溶胶电解液（H2SO4：1mol/L）中浸泡12h，即可在电化学工作站CHI760E上进行循环伏安（CV）、恒流充放电（GCD）以及电化学交流阻抗（EIS）等电化学测试。

2 结果与讨论

（1）图1展示了我们利用激光直写法制备的纸基微型超级电容器的实物照片及其光学显微照片。（2）图2展示了碳纳米管的扫描电镜（SEM）照片，可以看出碳纳米管的微观形貌。（3）图3展示了微型超级电容器在扫描速率分别为5mV/s、10mV/s、20mV/s、30mV/s和50mV/s下的CV曲线图，和交流阻抗图譜，从中可得出，所制备的纸基微型超级电容器具有较好的双电层电容特性和较低的离子传输阻力。（4）图4（a）展示了纸基微型超级电容器在电流密度为0.001mA/cm2、0.002mA/cm2、0.005mA/cm2和0.01mA/cm2下的充放电曲线;图4（b）展示了在逐渐增大电流密度时，其面积电容的变化比较平稳，表明其具有良好的电容保持性能。（5）图5展示了微型超级电容器在45°、90°、135°、180°的不同弯折角度下CV曲线的变化情况和实物照片，从中不难看出其具有优良的柔韧性。

3 结语

本文利用激光直写法制备纸基微型超级电容器，随后用电化学工作站测试其电化学性能。通过测试其在扫描速率分别为5mV/s、10mV/s、20mV/s、30mV/s和50mV/s下的CV曲线、在电流密度为0.001mA/cm2、0.002mA/cm2、0.005mA/cm2和0.01mA/cm2下的充放电曲线，和交流阻抗来表征其优异的电化学性能。通过测试纸基微型超级电容器被弯折成45°、90°、135°、180°下的CV曲线的变化来测试其柔韧性能。研究表明，所制备的纸基微型超级电容器在不同电流密度下面积电容变化比较平稳、面积比电容大、离子传输阻力小，因而具有优异的电化学性能，并且在不同的弯折角度下仍具有较好的弯曲柔韧性，因而便于与其他小型柔性电子器件进行集成，实现一体化可穿戴，展现出较好的应用前景。

参考文献

[1] 王森，郑双好，吴忠帅，孙承林.石墨烯基平面微型超级电容器的研究进展[J].中国科学：化学，2016（08）：732-744.

[2] 陈俊.超级电容器电极材料及柔性器件研究[D].电子科技大学，2014.