[论文解读] Fabrication of Flexible Super Capacitor Using Laser Lightscribe Technique

G. B. Joseph, A. Alfred Kirubaraj+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2014

Supercapacitor Materials and Fabrication参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究提出了一种低成本、可扩展的方法，利用激光Lightscribe技术在石墨烯氧化物涂层的PET薄膜上制造柔性超级电容器。激光诱导石墨烯氧化物还原为石墨烯，实现了图案化、柔性的电极，实测电容为120 nF，电阻从10 V时的20 kΩ降至20 V时的8 kΩ，表现出高频响应和电学稳定性。

ABSTRACT

Super capacitors are promising energy storage devices due to their capability of delivering high peak current and storing high amount of energy in a short time with very low internal power loss. We fabricated the graphene or graphite oxide super-capacitor using laser Lightscribe technique. We prepared graphite oxide by modified hummers method and used PET film as a flexible substrate on which graphite oxide (GO) was coated. Using Lightscribe drive and software, the super-capacitor configuration was patterned on the GO coated PET film. During the writing process, the laser converts GO into graphene. We characterized the fabricated flexible super-capacitor which exhibits high resistance of 20KOhm with applied voltage of 10V and further increase of voltage (20V) decreases the resistance to 8KOhm. We also analyzed the frequency response of the capacitor using impedance measurement which shows high frequency response and estimated capacitance is 120nF. We optimized the patterns by running the Lightscribe repeatedly on the GO coated PET substrate.

研究动机与目标

• 开发一种利用现成材料和消费级激光技术的低成本、可扩展的柔性超级电容器制造方法。
• 探索Lightscribe激光系统在柔性基底上对石墨烯氧化物（GO）进行图案化和还原为导电石墨烯的应用。
• 评估所制备超级电容器的电性能，包括电阻、电容和频率响应。
• 通过重复照射优化激光图案化工艺，以提高导电性和器件一致性。

提出的方法

• 采用改进的Hummers法合成石墨烯氧化物（GO），并将其涂覆在柔性PET薄膜基底上。
• 使用Lightscribe激光驱动和软件，直接在GO涂层的PET薄膜上图案化超级电容器结构。
• 在书写过程中，激光辐照将GO还原为石墨烯，形成预设图案的导电电极。
• 通过直流电压扫描进行电学表征，测量在不同电压（10 V和20 V）下的电阻。
• 采用阻抗谱分析频率响应并估算电容，测得电容值为120 nF。
• 通过重复运行对激光图案化工艺进行迭代优化，以提高导电性和图案清晰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 Lightscribe激光系统能否有效在柔性PET基底上对石墨烯氧化物进行图案化并还原为石墨烯，用于超级电容器电极？
• RQ2 所制备的超级电容器的电阻如何随施加电压的增加而变化？
• RQ3 激光图案化柔性超级电容器的频率响应和电容值是多少？
• RQ4 通过重复照射，激光图案化工艺在多大程度上可被优化以提升器件性能？

主要发现

• 所制备的柔性超级电容器在10 V时电阻为20 kΩ，升至20 V时降至8 kΩ，表明在更高电压下导电性提高。
• 阻抗测量证实具有高频响应，适用于需要快速充放电循环的应用。
• 器件的估算电容为120 nF，表明具备有效的储能能力。
• 激光Lightscribe技术成功在柔性PET基底上以受控、图案化的方式将GO转化为导电石墨烯。
• 重复激光照射改善了图案化电极的质量和导电性，实现了性能优化。