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                        柔性和可印刷電子產品用石墨烯電熱碳漿添加劑的制造


                        2021-07-08
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                        這些年來,石墨烯電熱碳漿的興起改變了我們對基礎物理的認識,帶來了新的應用。近年來的兩大發展尤其值得注意。首先,提出了一種將范德華固體分解為大量固體的新方法,產生了一系列二維材料(俗稱2D材料)。dier個是新興的基于墨水的技術,它可以帶來一個經濟且可擴展的制造平臺,比如印刷電子產品?;谀氖╇姛崽紳{研究雖然還處于起步階段,但由于印刷電子市場的存在,隨著印刷電子產品市場的形成,有望對可穿戴電子產品、無線通信以及從醫療診斷設備到儲能設備的新興技術產生巨大影響。此外,這些設備可以共同構建一個基于石墨烯電熱碳漿和后石墨烯電熱碳漿的物聯網平臺?;谀呐浞竭M一步符合全球拓展新功能和制造新材料的努力。隨著對便攜式和輕型物聯網設備需求的增加,需要尺寸兼容的集成電源。傳統儲能裝置由于結構龐大,無法滿足標準。因此,微型儲能元件,如可充電微型電池和微型chaoji電容器,在印刷電子研究中具有關鍵作用和機遇。為了實現未來高性能電動汽車(EVs)乃至電網級儲能系統的目標,集成電化學電容器或chaoji電容器由于充電時間快、能量密度不斷增加,可以與鋰離子電池(LIBs)形成互補單元。鋰離子電池具有緩慢的擴散控制動力學和長期充電,以及電池化學方面的局限性,如嵌入過程導致的結構不穩定??焖俪潆妰δ軝C制通過離子的物理吸附形成雙電層,不僅延長了SCs的壽命,還可以通過增加表面積體積比來設計微納尺度,從而儲存更多的能量。

                        柔性和可印刷電子產品用石墨烯電熱碳漿添加劑的制造

                        用于各種應用(如儲能設備)的石墨烯電熱碳漿基材料(GBM)的添加制造在過去幾年中顯示出了巨大的前景,主要是因為它易于制造復雜的設備,包括柔性和可彎曲的平臺,并且不需要昂貴的硅加工。雖然3D打印電池和chaoji電容器出現在zui近報道的研究中,但通常,這些研究的目標是制造大規模設備來存儲更多能量。同時,其他更適合微器件的印刷技術,如絲網印刷、凹版印刷、噴墨印刷和氣溶膠噴射印刷,很少被探索,主要針對物聯網應用。絲網印刷主要用于印刷分辨率為毫米或更低的材料和設備,而后三種印刷技術正在推動各種傳感器和儲能設備用添加劑制造石墨烯電熱碳漿設備的ji限。盡管近年來由石墨烯電熱碳漿或相關碳材料制成的噴墨打印chaoji電容器取得了巨大進展,但納米結構工程和通過使用anquan方法可擴展制造GBM的重要性正在增加。

                         

                        通過納米工程實現可靠和更高電容儲能的潛在方法通過開發基于墨水的新化學物質,以墨水的形式構建石墨烯電熱碳漿基本組件仍然是重要的方法之一。眾所周知,碳基氣凝膠,包括石墨烯電熱碳漿氣凝膠,重量更輕。由于它們的多孔結構,它們可以儲存更多的能量,從而獲得高表面積和更高的雙層電容。但是,它們主要用于3D打印chaoji電容器,不能滿足以下要求:柔性電子/設備。氣溶膠凝膠與氣凝膠有著根本的不同,這是未知的。當允許固體顆粒的氣溶膠聚集直到形成的體積通過凝膠時,在氣相中形成氣溶膠凝膠。氣凝膠也是通過聚集成跨越體積的凝膠而形成的,但另一方面,凝膠化是由液相中不穩定的膠體形成的。在氣相中形成氣溶膠凝膠的優點是它可以產生更高純度的凝膠,因為與膠體不同,它沒有溶劑、抗衡離子或去穩定劑。此外,因為它們來自氣相,所以不需要干燥凝膠,這通常需要氣凝膠的復雜干燥過程,例如超臨界干燥。在這項研究中,研究人員報道了石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠納米墨水的可擴展合成,這是一千克石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠,它是在氧氣和乙炔作為碳氫化合物前體的存在下,通過控制爆轟方法產生的。

                        柔性和可印刷電子產品用石墨烯電熱碳漿添加劑的制造

                        石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠油墨的制備和印刷始于乙炔前體石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠的爆炸合成,(a)用于碳氫化合物爆炸的定制爆炸室,(b)石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠樣品,(c)氣溶膠凝膠的探針超聲波處理以施加高剪切力,(d)過濾,(e)絮凝,(f)真空過濾,(g)熱板干燥,和(e)。

                        (a)對石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠粉末和乙基纖維素混合物的熱重分析表明,其重量隨溫度降低;(b-d)不同印刷圖案的光學圖像,如野貓標志、叉指微型chaoji電容器和電阻元件;(e)在IDE中通過噴墨打印的手指電ji的SEM圖像。該圖顯示了圖形的放大倍數和顯示寬度。印刷的手指/集成電路表面形態顯示亞微米和多孔特征。(g,ide指的是AFM線輪廓和垂直高度特性。

                        為了了解石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠的結構,進行了透射電鏡、拉曼光譜和XPS測量,并對結果進行了分析。圖3a-d顯示石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠粉末(墨水的組成元素)的微/納米結構的分辨率逐漸增加。在圖3a中可以看到平均粒度或團簇尺寸約為100nm且粒度分布幾乎均勻的氣溶膠凝膠顆粒,而在圖3b中可以觀察到許多皺紋和褶皺。單原子層堆疊也可以在氣溶膠凝膠顆粒的邊緣發現(圖3c),其中多孔和褶皺納米片的邊緣比zhonxin部分具有更暗的對比度。仔細檢查圖3b-d,顯示石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠納米片(GANS)的邊界可以被認為包含殼狀結構,其中殼由邊緣封端的石墨烯電熱碳漿片形成。

                        (a-d)高分辨率TEM測量顯示石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠的微觀結構,分辨率從A增加到d(A)懸浮在TEM銅網上的石墨烯電熱碳漿納米片聚集體。(b)石墨烯電熱碳漿納米片相對于片的zhonxin在邊界處顯示出更高的對比度,并且具有大量褶皺和折疊結構。納米片的高分辨率圖像顯示了邊界處的條紋/條狀微結構。插圖顯示條紋是由石墨烯電熱碳漿切片的末端邊緣形成的。zui高分辨率的條紋微結構。(e)打印石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠墨水的拉曼光譜,(f)打印石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠墨水的X射線光電子能譜(XPS)。

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                        值得一提的是,新興的石墨烯電熱碳漿納米墨水技術及其工程對應材料,如石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠納米墨水,前景廣闊??紤]到石墨烯電熱碳漿研究的現狀,全世界對其實際應用都非常感興趣,尤其如此。從這個意義上說,可再生能源設備很可能是泛在物聯網(IoT)電子設備的增強來源。為了提高微型chaoji電容器石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠印刷裝置在實際應用中的功率密度,設計制造了一種具有概念驗證的串并聯三電池組合。下面的圖5顯示了一個代表性的電化學chaoji電容器,它由三個串聯的電池組成。在該系列chaoji電容器中,每個單體電池的有源區印刷在聚酰亞胺基底上并粘附在顯微鏡載玻片上,用EMIM-BF4電解質覆蓋,chaoji電容器的兩個端子連接到外部電路。經過10000次充放電循環,整個裝置表現出很高的穩定性和可靠性。一般單個石墨烯電熱碳漿指的端到端電阻為~2-3kω。為了降低器件與外部電路之間的一些接觸電阻,實現有效的電流流動,在測試電池時,使用銀墨水作為接觸墊頂部的集電器。對于長度相當的條帶,銀墨水通常顯示約0.3ω。在施加銀墨之后(但在使用電解質之前),銀墨在110℃下進行熱處理。C..在環境條件下,用預設的熱板加熱30分鐘。

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                        總之,研究人員shouci報道了穩定的石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠墨水配方,使用碳氫化合物在氧氣存在下合成的氣溶膠凝膠,采用工業級可膨脹炸藥的合成工藝。通過這種無催化劑、節能的工藝獲得的石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠已轉化為石墨烯電熱碳漿氣溶膠凝膠墨水,并成功應用于柔性印刷微型chaoji電容器電子設備。經過10000次運行循環,能量保持率在80個點左右,電池特性可靠穩定。氣溶膠凝膠與墨水結構和性能關系的進一步優化,將有助于未來實現更高電容和能量密度的微型chaoji電容器。我們創造可印刷油墨的方法與材料的新爆炸合成密切相關,從而開辟了許多途徑,如柔性和柔性微電子和傳感。

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