可集成的高性能三维微型超级电容器（MSCs）的开发为微型化储能技术带来希望，但需要先进的器件架构和可靠紧凑的制造平台。本文，广东以色列理工学院Woo Jin Hyun副教授《ACS Appl. Energy Mater》期刊发表名为“3D Aerosol-Jet-Printable Graphene Microsupercapacitor Arrays with Hollow Pillar Electrodes for High Voltage and Integration Density”的论文，研究提出采用气溶胶喷射可打印的中空柱状电极（HPEs）构建三维石墨烯超级电容器，实现高集成密度的高压阵列。
通过采用聚丙烯碳酸酯作为稳定剂配制石墨烯墨水，增强了3D打印的结构完整性；气溶胶喷射技术则可精确制备形态均匀、高度可调的垂直排列中空柱状电极。相较于传统梳状电极，中空柱状电极能形成更均匀的电场分布并增大有效表面积，从而显著提升MSC的单位面积电容。该高密度电极器件还展现出卓越的弯曲稳定性，其独特微结构可降低变形过程中的机械应力。通过串联10个高密度电极器件（单器件占地仅0.0098平方厘米），成功演示了10伏微型储能阵列，实现超高器件密度（102 cm–2）与面积电压输出（102 V cm–2）。这些成果凸显了气溶胶喷射可打印HPE技术在实现超紧凑、机械强韧且高压的储能集成领域的巨大潜力。
图1. Schematic diagram illustrating the AJP process of 3D graphene MSCs with HPEs. (a) Exfoliation of graphene using PPC as a stabilizer. (b) Ink formulation with the exfoliated graphene and PPC. (c) Ink setup for 3D AJP of the graphene ink. (d) AJP of 3D graphene HPEs. (e) AJP of an ionogel electrolyte on the printed electrodes to complete the MSC fabrication.
本文，展示了采用气溶胶喷射可打印石墨烯高密度聚合物薄膜（HPEs）制备的高集成度高压3D微型储能器阵列。由溶液剥离石墨烯纳米片与PPC稳定剂组成的石墨烯墨水，支持纳米片在3D气溶胶喷射工艺中实现可靠的垂直堆叠，从而制备出高度可控的精细化高电极厚度结构。相较于传统电极设计，该结构能产生更均匀的电场分布，并在相同电极厚度下增大有效表面积，从而提升3D微电极阵列的面积电容。该HPE结构还能缓解弯曲时的机械应力，显著提升3D MSCs的机械柔韧性。最终实现了由10个HPE器件组成的10V阵列，单器件占地仅0.0098 cm²，达成102 cm⁻²的高器件密度及102 V cm⁻²的面积电压输出。总体而言，本研究为高性能3D微型超级电容器确立了极具前景的印刷策略与器件架构，推动了高电压与高集成密度芯片级电源的发展。虽然本研究采用石墨烯材料进行验证，但该印刷策略与器件架构有望推广至其他纳米材料制备3D微型超级电容器。
文献：https://doi.org/10.1021/acsaem.5c03272
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