浙江理工大學：商用激光打印機制備金屬圖案用于可擴展制備高性能微型儲能器件

來源：高分子科學前沿

可穿戴柔性智能紡織品的發(fā)展大大刺激了高性能、柔性可彎曲的儲能器件的發(fā)展。然而傳統(tǒng)三明治型堆疊結(jié)構(gòu)的儲能器件由于體積大、重量重、難以彎曲的缺陷，難以集成在柔性可穿戴體系中。近年來，平面微型儲能器件由于其輕、薄、柔、小的特點被廣泛研究，但仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。目前平面微型儲能器件的制備主要有噴墨打印、絲網(wǎng)印刷、真空沉積、激光刻劃等，這些制備方式有的需要復雜的墨水工程、有的需要昂貴的儀器設備，有的難以可擴展生產(chǎn)。

鑒于此，浙江理工大學胡毅教授課題組報道了一種采用商用激光打印機打印犧牲圖案，結(jié)合磁控濺射以及電化學沉積技術(shù)制備高性能平面微型儲能器件的策略，MnO2基微型超級電容器表面出615.14 F cm-3的高體積比容量，以及超高的體積能量密度（54.679 mWh cm-3）和功率密度（11.677 Wh cm-3），且表現(xiàn)出優(yōu)異的機械柔性、耐彎曲性以及集成性能。相關工作以“Inkjet Printing-Based High-Resolution Metal Patterns with Customizable Design and Scalable Fabrication of High-Performance Flexible Planar Micro Energy Storage Devices”為題發(fā)表在國際著名期刊Chemical Engineering Journal上，影響因子13.327，DOI：10.1016/j.cej.2021.132512。

首先使用商用激光打印機以及商用打印耗材在PET膜上打印設計好的犧牲圖案，然后通過磁控濺射構(gòu)建金屬層，在丙酮溶液中超聲除去犧牲圖案得到任意圖案的金屬層（圖1b），再電化學沉積活性材料MnO2，最后涂覆凝膠電解質(zhì)，得到MnO2基平面微型超級電容器（圖1a）。

圖1. (a)制備流程示意圖; (b)金屬圖案實物圖

通過剝離過程得到的圖案化金屬層具有清晰的邊緣（圖1b）以及好的導電性能，后續(xù)通過電化學沉積的方式構(gòu)建平面叉指狀電極（圖2a），納米樹枝狀的MnO2能夠原位沉積在Pt指上（圖2b、c），且疏松多孔的MnO2結(jié)構(gòu)能夠更好的與電解質(zhì)潤濕，并提供更多的活性位點，這是高性能平面微型儲能器件的關鍵。

圖2. MnO2基微型超級電容器電極的實物圖以及微觀形貌圖

構(gòu)建的MnO2基平面微型超級電容器在電化學沉積5 min的情況下展現(xiàn)出最佳的電化學性能，具有23.07 mF cm-2的面積比容量（圖3j），615.14 F cm-3的體積比容量以及11.677 Wh cm-3的高體積功率密度和54.679 mWh cm-3的最大體積能量密度（圖3k），弛豫時間常數(shù)τ0僅有0.81 s（圖3h）。器件在20000次的長循環(huán)過程后，仍然保持了75%以上的電容（圖3i）。

圖3. 電化學性能圖

制備的平面微型儲能器件在彎曲狀態(tài)下能夠繼續(xù)穩(wěn)定工作（圖4a-c），并通過犧牲圖案的設計，可以構(gòu)建出任意串、并聯(lián)集成的儲能器件組，其性能具有高度一致性（圖4d-f）。將制備的平面微型超級電容器組與商用太陽能電池以及LED燈連接，構(gòu)建能量轉(zhuǎn)換-儲存體系，在標準光源下照射太陽能電池5 min后，能夠穩(wěn)定點亮LED燈（圖4g-i）。

圖4. 彎曲狀態(tài)下的性能圖以及集成性能圖

總結(jié)，該工作提出了一種激光打印結(jié)合磁控濺射以及電化學沉積構(gòu)建平面微型儲能器件的策略。通過實驗和測試表明這種策略可以在柔性基材上輕松構(gòu)建高分辨的圖案化金屬層，通過原位沉積的方式構(gòu)建的平面微型超級電容器表現(xiàn)出高的電化學性能，且具有優(yōu)異的機械柔性和集成性能，是一種有望實現(xiàn)可擴展生產(chǎn)的制備策略，有望應用在未來的柔性電子產(chǎn)品以及智能紡織品中。
本文第一作者為浙江理工大學紡織科學與工程學院（國際絲綢學院）2019級在讀碩士研究生王子希，通訊作者為浙江理工大學胡毅教授。