编号：FTJS107716
篇名： 水性石墨基导电油墨的制备及其在平面微型超级电容器中的应用
作者： 王梦虎
关键词： 水性; 石墨; 导电油墨; 丝网印刷; 平面微型超级电容器;
机构：太原理工大学
摘要： 近年来,随着微型化电子设备的快速发展,印刷电子技术因可提供传统制造无法实现的独特功能而广受欢迎,导电油墨作为其核心材料,通过与传统印刷技术相结合,使得其应用逐渐向小型化、智能化和便携式电子产品崛起。石墨由于其独特的层状结构、良好的导电性、优异的化学惰性和经济优势在油墨的规模化制备中备受关注,然而目前对环保型油墨研究较少,单一的石墨所制备的油墨性能有限,且石墨存在易团聚问题,会严重降低其可用表面积,这些极大制约了石墨基导电油墨的实际应用。而平面微型超级电容器（MSC）作为一种新型的独立式微型电源,导电油墨最有潜力的应用之一,繁琐的制备工艺和低面能量密度是限制其发展的关键。其中,丝网印刷技术由于工艺简单、生产效率高、印刷适应性强以及易于规模化生产等优点,为平面MSC的制备提供了一种便捷的策略。鉴于此,本文从设计油墨结构入手,选取纳米尺度的球状炭黑,并引入高比容量NiCo2O4材料,采用简单、经济、高效且可扩展的工艺合成一系列石墨基导电油墨,再结合丝网印刷技术将其制备成平面叉指电极结构,以应用于平面MSC。主要研究内容包括: （1）在水性体系中,选取微米级片状石墨,纳米级球形炭黑为主要功能材料,利用二者的协同效应,通过分散、球磨工艺,构建一种“炭黑-少层石墨-炭黑”三维微纳米结构,成功开发了一种具有成本效益、环境友好型、高性能的少层石墨/炭黑导电油墨。合成的油墨表现出典型的剪切稀化特征,在室温下即使沉降30天也未观察到沉降现象,通过丝网印刷生产的导电薄膜显示出1.99×10～3 S m-1的高导电率,即使在经历5,000次机械弯曲/释放测试后仍保持有效的导电网络,展示油墨薄膜优异的机械柔性,并将其成功应用于柔性平面电路。 （2）选取经济高效的丝网印刷技术作为平面MSC叉指电极的制造方法,以少层石墨/炭黑油墨为活性电极材料,发现引入炭黑可以有效提高平面MSC的电化学储能性能。平面MSC表现出1.47μWh cm-2的高面能量密度和0.2 mW cm-2的面功率密度、显著的循环稳定性（20,000次循环后的电容保持率为96.3%）和优异的机械柔性（弯曲/释放5,000次后的电容退化仅为2.98%）,并通过串联/并联,可以提高整个系统的输出电压/电容,表现出良好的集成效果,为平面MSC的规模化生产提供一种可能。 （3）将具有高导电、双电层电容的少层石墨/炭黑油墨材料与具有高比容量、赝电容NiCo2O4材料结合,利用二者协同效应,成功开发一种三元复合油墨电极材料。该油墨具有典型的剪切稀化特性,良好的稳定性,所制备的油墨薄膜展现出1.57×10～3 S m-1良好电导率和弯曲-释放5,000次优异的机械柔性。通过丝网印刷技术将复合油墨应用到平面MSC领域,平面MSC表现出2.63μWh cm-2的高面能量密度、0.2 mW cm-2的面功率密度、良好的循环稳定性（20,000次充电/放电循环中表现出94.7%的面电容保持率）和优异的机械柔性（连续5000次弯曲测试后,MSC电容仅退化3.43%）,且通过串/并联单个平面MSC可以提高输出电压/电容,增强平面MSC的实际应用。