全印刷柔性超级电容器的制备与研究进展

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前沿科技

DIGITAL PRINTING Tol.200 No.2 2019.4数字印刷 2019年第2期（总第200期）

全印刷柔性超级电容器的制备与研究进展

吴 伟，梁 静

（武汉大学 印刷与包装系 可印刷功能材料与印刷电子实验室，武汉 430072）

摘要 便携式和可穿戴电子设备正朝着小型化、轻薄、柔性和智能化的方向发展，与之对应的能量存储器件也应该具有柔性、安全和轻便的特点。为了满足这些需求，印刷柔性超级电容器正引起广泛关注。本研究结合作者所在课题组近年来的研究进展，从电极材料合成和器件设计等方面对全印刷方法制备柔性印刷超级电容器进行介绍。科研人员研制了一系列具有良好印刷适性的赝电容电极材料墨水或油墨作为超级电容器核心的电极材料，包括金属氧化物、导电聚合物及其复合材料等。并借助印刷方法，在多种基材上制备柔性印刷超级电容器，例如纸张、多种织物和柔性薄膜。通过器件的合理设计，实现了大电压和高能量密度的输出，并且这些印刷的柔性超级电容器，在弯曲或拉伸的状态下均可驱动LED 灯。这种具有良好柔性的全印刷固态超级电容器为可穿戴电子的能量供应提供了新的设计思路。

关键词 可穿戴设备；功能油墨；印刷电子；赝电容材料；柔性超级电容器中图分类号 TB383.1;TS802

文献标识码 A 文章编号 2095-9540(2019)02-122-06

Fabrication and Progress of Fully-Printed Flexible Supercapacitors

WU Wei, LIANG Jing

(Laboratory of Printable Functional Nanomaterials and Printed Electronics, School of Printing and Packaging,

Wuhan University, Wuhan 430072, China )

Abstract Portable and wearable electronic devices are developing in the direction of miniaturization, thin, flexibility and intelligent functions. The corresponding energy power supplies also should be flexible, safe and lightweight. To satisfy these demands, the flexible supercapacitor has attracted the wide spread attention. In this paper, the recent progress of the emerging field of flexible supercapacitors, including electrode material synthesis, printing and dev ice designs. As the key component of supercapacitors was introduced, a series of new pseudocapacitor electrode materials inks were developed, including metal oxidation, conducting polymer and their composites, etc. Then, a scalable printed method was exploited to prepare solid-state supercapacitor on many flexible substrates, including paper, fabrics and plastics. The structure design of printed flexible supercapacitors to enhance the potential and energy density were discussed. These printed flexible supercapacitors can power the LED under bending or stretching states. And this highly flexible and all-printed solid-state supercapacitors may bring new design opportunities of device configuration for energy-storage devices in the future wearable electronic area.

Key words Wearable device; Functional ink; Printed electronic; Pseudocapacitance material; Flexible supercapacitor

收稿日期：2019-04-02

DOI:10.19370/10-1304/ts.2019.02.018

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吴 伟等：全印刷柔性超级电容器的制备与研究进展0 引言

超级电容器（Supercapacitors ）是近年来随着材料科学的突破而出现的一种介于传统电容器与锂离子电池之间的新型绿色环保物理储能电池，是物理储能中最具发展前景的一类技术装置，是对其他电化学储能技术的良好补充。相对于传统锂电池来讲，这种器件不仅能够存储更多的能量，而且能够快速释放所存储的能量，其循环充电的次数达到10万次，在性能上比传统电容器更加优越[1]。凭借快速充—放电性能、较长的循环使用寿命和较高的能量密度等优点，超级电容器在太阳能、风能等分布式电站储能装置、电动汽车动力电源系统、微机电系统和数字通信系统等领域具有广泛的应用。由于超级电容器可实现柔性和轻量化制造，因此是目前可穿戴电子领域最具应用潜力的电源之一。在新能源汽车领域，超级电容器可与二次电池配合使用，实现储能并保护电池的作用。但是柔性超级电容器还存在着能量密度较低、制备工艺复杂、成本高昂和机械柔性不足等挑战[2]。

为了满足柔性电子系统的要求，作为其重要组成部分的储能系统需具有轻、薄和柔的特点，甚至要求具有可弯折的特点。虽然目前不同结构柔性超级电容器已被成功组装，但是已报道柔性超级电容器的可弯折性能还有待于进一步提高，此外，柔性超级电容器一般通过外接线路与其他电子器件相连接，导致整个器件系统空间和能量的损耗，因此，柔性超级电容器与其他电子器件的集成化将有利于整个电子系统简洁化、超轻化和一体化的 发展。

印刷电子是将印刷工艺用于制造电子产品的新兴工业技术，具有多学科、交叉性及多种工程复合性的特征[3-5]。与传统电子产品的制造工艺进行对比，印刷电子工艺技术具有节能、节约资源、绿色环保、设备投资少、低成本、大面积、可卷对卷（Roll-to-Roll ）生产的明显特点[6]。印刷电子产品往往具有柔性、轻便、个性化的优点。若结合印刷

技术原理，利用全印刷电子技术实现超级电容器的

制造将有利于构筑大面积柔性超级电容器，并快速推动其走向实际应用。

1 全印刷超级电容器油墨概述

印刷油墨在制备柔性超级电容器中发挥着极其重要的作用，不同类型的印刷电子油墨可以实现超级电容器电极的柔性化和可拉伸性能。例如，作者及其课题组借助一步置换反应制得树枝状纳米银。通过调控树枝状纳米银在油墨体系中的固含量，经过流变性和触变性测试，制备了具有良好印刷适性的导电油墨，并确定了其对应的固含量。通过设计不同形状和线宽的几何图案，可以得到柔性可拉伸电极，并进一步制得具有不同传感性能的应力传感器[7]。连结料在油墨体系中的影响也十分显著，一般来说，需要根据导电组分的形貌和印刷基底材料来选择连结料，以提高印刷适性[8-11]。如何调节油墨在基底上的润湿行为，在不影响分辨率的同时不引起电极短路，以及如何将油墨固化成所需的二维图案或三维结构，同时确保电极和基底/电流收集器之间能很好地粘附，这些因素都要求在制备印刷超级电容器时对油墨性能开展系统的研究。在超级电容器的印刷制造中，既包含了需要起导电作用的电极油墨，还需要起电容储能作用的活性材料油墨以及可印刷的电解质。

2 全印刷柔性超级电容器的研究进展

2.1 印刷超级电容器电化学性能影响研究

2.1.1 活性电级材料对印刷超级电容器电化学性能的影响

随着印刷电子技术的快速发展，印刷柔性超级电容器由于其具有优异的柔性、低成本和可规模化生产方式等优点，被认为在柔性电子领域具备巨大的应用前景。活性电极材料在很大程度上决定着印刷超级电容器的电化学性能，根据其不同的储能机理，主要可以分为电化