哈爾濱工程大學李茹民教授課題組以過渡金屬硫化物和石墨烯為電極活性材料，通過搭載精確的溫度控制系統(tǒng)的MicroFab Jetlab?Ⅱ噴墨打印系統(tǒng)，構筑了具有優(yōu)勢結構的電極。制備的Ni*S4/Co S/r GO@CC電極，在1 A·g-1下的比電容高達10*2.8 F·g-1,10 A·g-1循環(huán)2000次之后電容保持率為8*.2*%。組裝非對稱超級電容器具有2** F·g-1的高比電容以及**.6* Wh·kg-1的高能量密度。此外,該器件還具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性,1* A·g-1的電流密度下循環(huán)2000次之后僅有12.1*%的電容衰減。

超級電容器（SCs）作為一種極具潛能的電化學儲能裝置，具有功率密度高、循環(huán)壽命長、充放電速度快、環(huán)保等優(yōu)點，被廣泛應用于新能源汽車、風力和太陽能發(fā)電、軌道交通以及便攜式電子設備等領域，在超級電容器的結構中，電極是決定 SCs 整體性能最關鍵的結構， 決定著 SCs 的能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等主要性能指標。 因此構筑高性能、低成本的新型結構電極是提升 SCs 整體性能的有效途徑。 噴墨打印技術作為一種數(shù)字化、無接觸、無掩模、高精度的打印技術，已經(jīng)成為納米制造印刷電子、傳感器和能源設備的一種潛在的經(jīng)濟方法。 本文通過噴墨打印技術，以過渡金屬硫化物和石墨烯為電極活性材料制備了具有優(yōu)勢結構的電極，擁有很強的實際應用能力。

介紹

制備過程噴墨打印設備均由美國MicroFab公司的Jetlab?Ⅱ納米材料沉積噴墨打印系統(tǒng)進行的，儀器的照片如圖1 。該儀器通過壓電噴墨的方式進行材料的打印沉積，并且搭載了精確的溫度控制系統(tǒng)，可以根據(jù)需要調控基板溫度。此外，該系統(tǒng)預置了多種打印模式，可以根據(jù)需要選擇矩形陣列、點陣列、線陣列或自定義打印圖案進行打印。打印時，具體打印參數(shù)設置如下：運動模式選擇直線升降，空載電壓0V，恒定電壓與回波電壓分別為*0V、-*0V，上升/下降時間均為*μs，保壓時間與回波時間分別為*0μs、*0μs。選擇噴嘴直徑為80μm的噴頭進行噴墨打印。

▲ MicroFab 高精度納米材料沉積噴墨打印系統(tǒng) Jetlab?Ⅱ

制備Mo S2/N-r GO/Ag紙基柔性電極，構筑對稱超級電容器

噴墨打印使材料在基底上均勻分布，在經(jīng)過處理的 A4 紙上噴墨打印氧化石墨烯（GO）墨水，打印間距設置為*0μm，兩面各打印三層，而后在水合肼中進行還原，標記為rGO@P電極，然后將二硫化鉬Mo S2/N-r GO墨水，以還原后的rGO@P電極為基底，調節(jié)點間距設置為*0 μm，載物臺溫度設置為60℃，正反兩面均重復打印10次，干燥，得到Mo S2/N-r GO@P電極。隨后，在Mo S2/N-r GO@P電極上繼續(xù)打印*層銀納米線（Ag NWs）墨水，打印參數(shù)同上，增加電極導電性，減小內阻。制備出Mo S2/N-r GO/Ag@P電極。使用所制備電極構筑對稱超級電容器（Mo S2/N-r GO/Ag@P SSC）。

Mo S2/N-r GO/Ag@P SSC 的CV和GCD測試如圖2所示：

▲ 圖2

CV曲線呈現(xiàn)矩形狀，沒有出現(xiàn)氧化還原峰，表明器件具有理想的雙電容特性和優(yōu)異的快速充放電特性。隨掃描速率增加，CV曲線整體形狀變化不大，表明該器件具有良好的穩(wěn)定性。GCD曲線呈近似對稱的三角形，也進一步表明該器件具有良好的電化學可逆性。充放電循環(huán)1000次之后，器件比電容為1.** mF·cm-2，保留初始電容的**.2%，表明制備的Mo S2/N-r GO/Ag@P SSC具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

制備Ni*S4/NiS/r GO@CC柔性電極構筑非對稱超級電容器

將1*mg Ni*S4/NiS/r GO納米片超聲分散在8mL去離子水中，分散均勻后，加入2mL乙二醇調節(jié)粘度，繼續(xù)攪拌1h，制得Ni*S4/NiS/r GO噴墨打印墨水。使用 Jetlab?Ⅱ噴墨打印將材料沉積在碳布基底上，打印平臺溫度60℃，打印時墨滴間距設置為*0μm，正反各打印三層。打印完成后，繼續(xù)在表面打印沉積一層GO。而后，在水合肼中將GO還原為r GO，干燥后，制得具有包覆結構的 Ni*S4/NiS/r GO@CC電極。以Ni*S4/NiS/r GO@CC電極和活性炭電極為正負極，構筑非對稱超級電容器（Ni*S4/NiS/r GO@CC//AC ASC）。

Ni*S4/NiS/r GO@CC//AC ASC的CV和GCD測試如圖*所示：

▲ 圖*

CV曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著掃描速度的增加，電流密度增大，曲線所圍成的封閉積分面積逐漸增大，但是其整體形狀沒有發(fā)生變化，表明該非對稱電容器的倍率性能良好。從Ni*S4/NiS/r GO@CC//AC ASC的GCD曲線可以看到隨電流密度增大，充放電時間逐漸縮短，但是曲線仍然呈現(xiàn)出較好的對稱性，表明非對稱電容器具有較好的電容性能和優(yōu)異的電化學反應可逆性。根據(jù)充放電曲線以及比電容，20 A·g-1時，電容倍率性能為**.2%。超級電容器SCs的循環(huán)壽命是評價其實際應用性能的重要指標，經(jīng)過2000次循環(huán)之后，超級電容器比電容由開始的 10*.* F·g-1下降到 82.* F·g-1，電容保持率為*6.*%，展示出較好的循環(huán)穩(wěn)定性能。能量密度和功率密度是評價SCs整體性能的重要指標，當功率密度為800 W kg-1時，Ni*S4/NiS/r GO@CC//AC ASC的能量密度可以達到**.2Wh kg-1；當功率密度達到1.6kW kg-1時，能量密度仍然能達到64.1*Wh kg-1。如表1所示與類似的材料進行對比，可以發(fā)現(xiàn)基于噴墨打印制備的 Ni*S4/NiS/r GO@CC//AC ASC在能量密度方面具有明顯優(yōu)勢。

▲ 表1

結論

噴墨打印作為一種新興的薄膜制造工藝，優(yōu)勢明顯。在構筑超級電容器領域，可以制備出性能突出的結構電極，在沉積材料過程中，精準打印使材料分布均勻。使得制備的電極具有優(yōu)異的電化學性能以及良好的循環(huán)穩(wěn)定特性。對超級電容器的能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性均有明顯性能提升優(yōu)勢。

參考資料：

021yin.comki.ghbcu.2021.000*2*.

關于MicroFab

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MicroFab技術公司

MicroFab Technologies, Inc.

MicroFab 技術公司成立于1*84年，是開發(fā)基于壓電噴墨（Inkjet Print）的制造技術和儀器的先驅。在納米材料沉積噴墨領域MicroFab有著*0多年的研發(fā)積累，以及廣泛的行業(yè)和應用經(jīng)驗。

MicroFab 的 Inkjet 噴墨打印技術適用于前沿技術或實驗室的各種材料及器件的研究，可實現(xiàn)在速度、精度和尺寸特征上均有優(yōu)異且穩(wěn)定表現(xiàn)的液體及焊料的按需分配，可噴射的液體包含但不限于納米金屬溶液，OLED發(fā)光材料，石墨烯，碳納米管，粘合劑，光學和電子聚合物，以及包括診斷試劑，蛋白質和DNA及活體細胞等的生物醫(yī)學材料。

MicroFab 通過提供咨詢服務，應用程序開發(fā)服務，定制研發(fā)服務和設備銷售，為客戶的微分配或精密打印要求提供解決方案。全球*00多家組織，包括知名實驗室、科研院所、高等院校、頭部企業(yè)等，正在使用MicroFab產(chǎn)品。

為保證服務質量，MicroFab 指定睿度光電為中國地區(qū)合作伙伴，負責中國地區(qū)業(yè)務運營，包括產(chǎn)品銷售、售后服務及技術支持等。

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