微型及便携电子设备近年来发展迅速，推动了对体积小、可快速充放电、具有超长循环寿命的微尺寸电容器的需求。目前，微型电容器面积容量提升很大，但由于电极材料负载量少，实际应用仍然受限。另外，常用的微型电容器的制备方法，如光刻法、激光直写/刻蚀、3D打印以及模板法等，也仍然有很多缺点。例如光刻及打印法一般过程复杂，能耗比较高。激光法虽然灵活便捷，但制备的电容器在引入了集流体、基底及外包装后，体积通常会比较大，这种现象在器件的立体串并联过程中尤为严重，限制了其在微型电子设备中的应用。因此，发展一种新的方法来制备体积小、容量高的微尺寸电容器，并且能够实现在空间上的有效集成，就显得尤为重要。
近期，曲良体教授课题组提出了一种自发收缩的器件组装策略，以石墨烯水凝胶为原料，制备出一种具有致密结构的微尺寸超级电容器—CmSC。该电容器充分利用了石墨烯水凝胶的收缩特性，体积小，单个器件仅0.0023 cm3；容量高，体积容量为68.3 F cm-3；同时具有良好的循环稳定性，经过25000次循环测试后，仍然保持98%的容量。
自发收缩器件组装法制备电容器是以石墨烯水凝胶为原料，首先根据需要将石墨烯水凝胶分割为片状，再利用氧化石墨烯（GO）水系黏浆作为隔膜及粘结剂，将石墨烯水凝胶组装成凝胶/GO/凝胶三明治结构，同时将导电纤维插入到石墨烯凝胶电极材料中作为集流体。在室温常压条件下，水凝胶将自发脱水收缩，直接形成密度约为1.49 g cm-3的致密微尺寸超级电容器。
在自发脱水收缩过程中，水凝胶内部水与石墨烯片层，以及片层与片层间强的相互作用力导致了石墨烯片的褶皱、堆叠，体系能量不断降低，体积减小。最终，弯曲褶皱带来的角能量大幅度升高，体系整体能量增大，收缩停止。收缩过程中，GO黏浆层受限于上下两面的水凝胶，将随之一起收缩，结果得到致密规整的三明治结构电容器。在此过程中集流体也将被牢固限制在电极材料中，器件结构非常稳定。
除此之外，自发收缩器件组装法得到的单个器件可以作为基础模块进行任意、多维的空间集成组装，从而适用于不同的能源体系要求。另外，通过榫卯结构的设计，他们还制备了一种自整合的3D叉指微电容，该结构使得集成器件体积大大降低，从而得到更高的体积容量。自发收缩器件组装法不仅适用于石墨烯凝胶，同时也可用于其他材料体系。该工作为制备高性能、多维度集成的微型电容器及系统提供了一种简便、通用的方法。
这一成果近期发表在Advanced Materials上。博士研究生卢冰为论文的第一作者，曲良体教授为通讯作者。
Compact Assembly and Programmable Integration of Supercapacitors
Bing Lu, Feng Liu, Guoqiang Sun, Jian Gao, Tong Xu, Yukun Xiao, Changxiang Shao, Xuting Jin, Hongsheng Yang, Yang Zhao, Zhipan Zhang, Lan Jiang, Liangti Qu
Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201907005
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