《AFM》：“完全无金属”！在纸上一次性高速喷墨打印微电容器

纸上微型超级电容器(MSCs)是一次性电子产品的关键储能元件，有望从根本上解决全球日益关注的电子垃圾问题。然而，目前的MSCs几乎没有一种将生态友好性与高电化学性能(特别是倍率容量)结合在一起。

 

来自瑞典皇家理工学院的学者以聚(3，4-乙撑二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)、石墨烯量子点和石墨烯三元复合体系为基础，研制了一种高可靠的导电油墨，用于在商用纸基材上可伸缩喷墨打印紧凑(面积为20mm²)的一次性MSC。无金属全固态MSC在1000mV s⁻¹的高扫描速率下，最大面电容>2mF cm⁻²，循环寿命长(10000次循环后电容保持率>95%)，且不需要任何后处理。值得注意的是，“完全无金属”的MSC阵列是完全喷墨打印在纸基上的，并且还表现出高倍率性能。生命周期评估表明，这些打印设备的生态毒性和全球变暖潜力比其他纸面MSCs要低得多。相关文章以“Inkjet Printed Disposable High-Rate On-Paper Microsupercapacitors”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202108773

图1.PDG油墨的特性。a)PDG油墨的照片，b)Zeta电位和c)PEDOT：PSS，PEDOT：PSS/GQD，PEDOT：PSS/EEG，以及在水/EG混合物(体积比2：1)中的三元PDG分散体的DLS颗粒分布，d)在相纸上印刷的PDG图案的照片，e，f)在相纸上印刷的PDG图案的SEM图像，g，h)PDG油墨的TEM图像。

 

图2.打印在纸上的MSCs的电化学特性。a)具有不同打印通道的纸箱纸上打印的msc电极的(上)照片，以及(下)分别聚焦于纸张基材(左)和图案顶部(右)的MSC电极的显微照片，b)厚度和薄片电阻与打印通道数量的关系，c)以不同的扫描速率打印了10个通道的器件的CV曲线，d)从CV曲线中提取的面积电容与扫描速率之间的关系，以及c)以不同的扫描速率打印10个通道的器件的CV曲线，d)从CV曲线中提取的面积电容与扫描速率的关系。

图3.印刷MSCs的恒流充放电(GCD)性能。a)不同电流密度下MSCs的GCD曲线，b，c)电流密度为b)100µA cm⁻²和c)1000µA cm⁻²下不同打印道次的MSCs的GCD曲线，d)从不同打印道次的MSCs的GCD曲线中提取的面电容和电容保持值，e)MSC的面电容和电容保持值与周期数之间的关系，(插图)不同打印道次的MSCs的GCD曲线.

图4.a)打印在相纸上用于柔性性能测试的MSC的照片，b)1000 mV s⁻¹下的CV曲线和c)MSC在不同机械弯曲半径下的面电容，d)四个MSCs串联在纸箱纸上的全印刷MSC阵列的照片，e)1000 mV s^-1 MSC的CV曲线和f)串联MSC阵列的10µA的GCD曲线，g)具有四个MSCs的全印MSC阵列的照片。h)1000 mV s^-1 MSC的CV曲线和i)并联−阵列的200µA的GCD曲线。

图5.最先进的纸面MSCS和基于PEDOT：PSS和GQD的MSCS的区域Ragone图

图6.参考文献中PDG MSCs(10次打印)和基于MXene的纸张MSCs的生命周期评估结果。。a)生态毒性，b)全球变暖潜势(GWP)，c)归一化生态毒性，d)三种纸上MSCs的归一化GWP，分别考虑全器件、电极(包括纸衬底和集电器)和仅考虑电解质。

在这项工作中，特定类型的石墨烯量子点和电化学剥离的石墨烯可以协同稳定水/乙二醇混合溶剂中的PEDOT：PSs(zeta电位为−55mV)，从而能够方便地配制出高稳定的无粘合剂和无金属的导电油墨，用于可靠和可扩展的喷墨打印。以10µm的小液滴间距打印油墨是可行的，可以同时产生大厚度(高达9µm，每次速度为0.4µm)和高分辨率(临界尺寸≈300µm)。无需任何后处理，印刷的无金属图案在纸基上的方阻可低至4Ω⁻¹。此外，本文的喷墨打印MSCs比其他高性能的纸上MSCs表现出更好的生态友好性。这项打印技术有望加快纸质MSCs的实际应用，从根本上促进一次性电子产品的发展。 （文：SSC ）

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