纸上微型超级电容器——解决日益严重的电子废物问题
纸上微型超级电容器 (MSC) 作为解决大规模电子废物问题的方法引起了大量研究兴趣。由于其生命周期长、功率密度高和充电速度快，MSCs 是微型电子产品和可以自行供电的智能系统的特别有吸引力的候选者。
纸上 MSC 由于其环保性、可再生性和成本效益而更具吸引力。
然而，这种生态友好性是以牺牲电化学性能为代价的。纸上MSC的速率容量尤其如此。开发具有高电化学性能的纸上MSCs是微电子领域的一个重点。实现这两个目标将为各种重要应用创造真正绿色、高度可靠的电子产品。
通过喷墨打印使制造过程更具可持续性
仅凭一次性还不足以创造真正环保的 MSC;还必须注意制造过程。传统的制造工艺使用有毒且对生态有害的化学品和溶剂以及用于制造组件的化石燃料。它们还会产生大量废物并将有毒副产品释放到环境中。
正在探索的可持续制造技术是喷墨打印。使喷墨印刷成为有吸引力的替代方案的优点包括材料浪费最少、可扩展性、纯添加剂处理、无掩模图案化以及与多种活性材料和基材的兼容性。
纸——喷墨打印的优质基材
由于与喷墨打印兼容，纸是一种优良的基材。这是由于其分层的纤维素纤维结构。它是多孔的，具有粗糙的表面纹理，其毛细管有助于更好地吸收墨水图案，从而快速形成印刷图案。
然而，喷墨打印和纸张存在一些需要解决的挑战。首先，喷墨打印擅长创建高分辨率的薄图案，但 MSC 需要厚电极图案(这会增加区域性能)。
其次，由于强吸收性，纸张与非挥发性或腐蚀性溶剂不兼容。最后，纸张易受高温烧结等后处理的影响。
这些因素使得难以使用喷墨印刷技术在纸基材上制造高导电性图案，这意味着倍率性能会受到影响。这使得商业上可行的纸上 MSC 难以实现。
一种制备具有高电化学性能的环保纸上 MSCs 的新方法
在Advanced Functional Materials 的一项新研究中，展示了一种简单、可靠的喷墨打印技术，可以创建具有优异电化学性能(例如 4 个月后电容率为 84%)的环保纸上 MSC。
研究团队开发了基于 PEDOT:PSS、石墨烯量子点 (GDQ) 和电化学剥离石墨烯 (EEG) 三元复合材料的环保无粘合剂导电油墨，分散在水/乙二醇溶剂中。GDQs 和 EEG 都稳定了基于 PEDOT:PSS 的墨水并显着提高了 MSCs 的倍率容量。
由此产生的墨水非常稳定，有助于可靠和高效地打印纸上 MSC。
MSC 的制造很简单，只有两个步骤——电极的印刷和电解质的滴铸。
用于电极打印的打印机是富士胶片公司的 Diamatic 材料打印机。打印机使用 10pL 墨盒，所用的纸张是来自 Staples 的市售纸以及 Korsnäs 纸盒纸。在后续层印刷之前让油墨干燥以避免变形，并且最终的纸风干。
然后用简单的电解质、聚(苯乙烯磺酸)和H3PO4的混合物处理每个MSC。在通风橱中过夜干燥后，对 MSC 进行电化学表征。制备 TEM 样品用于材料表征。使用 SimaPro 软件进行了生命周期评估。使用 IPCC 2013 GWP 100a 和 ECO-indicator 99 (H) 方法研究了 GWP 和生态毒性。
从电化学和材料表征以及生态毒性和 GWP 潜力收集的数据证明了使用这种方法喷墨打印环保和可靠的 MSC 的有利结果。
未来
纸上 MSC 显示出将电子领域推向可持续未来的巨大潜力。像本文中的研究这样的研究正在帮助开发真正环保的微型超级电容器，这些微型超级电容器可以在其生命周期结束时轻松处理，并具有使其具有商业可行性所需的性能。
