自发收缩组装策略实现可编程集成微尺寸超级电容器

　　微型及便携电子设备近年来发展迅速，推动了对体积小、可快速充放电、具有超长循环寿命的微尺寸电容器的需求。目前，微型电容器面积容量提升很大，但由于电极材料负载量少，实际应用仍然受限。另外，常用的微型电容器的制备方法，如光刻法、激光直写/刻蚀、3D打印以及模板法等，也仍然有很多缺点。例如光刻及打印法一般过程复杂，能耗比较高。激光法虽然灵活便捷，但制备的电容器在引入了集流体、基底及外包装后，体积通常会比较大，这种现象在器件的立体串并联过程中尤为严重，限制了其在微型电子设备中的应用。因此，发展一种新的方法来制备体积小、容量高的微尺寸电容器，并且能够实现在空间上的有效集成，就显得尤为重要。

　　近期，曲良体教授课题组提出了一种自发收缩的器件组装策略，以石墨烯水凝胶为原料，制备出一种具有致密结构的微尺寸超级电容器—CmSC。该电容器充分利用了石墨烯水凝胶的收缩特性，体积小，单个器件仅0.0023 cm3；容量高，体积容量为68.3 F cm-3；同时具有良好的循环稳定性，经过25000次循环测试后，仍然保持98%的容量。

图1. CmSC制备示意图

　　自发收缩器件组装法制备电容器是以石墨烯水凝胶为原料，首先根据需要将石墨烯水凝胶分割为片状，再利用氧化石墨烯（GO）水系黏浆作为隔膜及粘结剂，将石墨烯水凝胶组装成凝胶/GO/凝胶三明治结构，同时将导电纤维插入到石墨烯凝胶电极材料中作为集流体。在室温常压条件下，水凝胶将自发脱水收缩，直接形成密度约为1.49 g cm-3的致密微尺寸超级电容器。

图2. 收缩变形机理及收缩后器件截面图

　　在自发脱水收缩过程中，水凝胶内部水与石墨烯片层，以及片层与片层间强的相互作用力导致了石墨烯片的褶皱、堆叠，体系能量不断降低，体积减小。最终，弯曲褶皱带来的角能量大幅度升高，体系整体能量增大，收缩停止。收缩过程中，GO黏浆层受限于上下两面的水凝胶，将随之一起收缩，结果得到致密规整的三明治结构电容器。在此过程中集流体也将被牢固限制在电极材料中，器件结构非常稳定。

图3. 榫卯结构3D叉指电容器制备示意图

　　除此之外，自发收缩器件组装法得到的单个器件可以作为基础模块进行任意、多维的空间集成组装，从而适用于不同的能源体系要求。另外，通过榫卯结构的设计，他们还制备了一种自整合的3D叉指微电容，该结构使得集成器件体积大大降低，从而得到更高的体积容量。自发收缩器件组装法不仅适用于石墨烯凝胶，同时也可用于其他材料体系。该工作为制备高性能、多维度集成的微型电容器及系统提供了一种简便、通用的方法。

　　这一成果近期发表在Advanced Materials上。博士研究生卢冰为论文的第一作者，曲良体教授为通讯作者。