1.作者

刘辉龙*，甘力天，陈任基，肖志文，陈云*，杨宏作，刘亚行，吴柏生，Ching-Ping Wong（汪正平），陈新*

2.机构

广东工业大学

佐治亚理工学院

3.Citation

Huilong Liu, Litian Gan, Renji Chen, Zhiwen Xiao, Yun Chen, Hongzuo Yang, Yahang Liu, Baisheng Wu, Ching-Ping Wong, Xin Chen. 2025. 3D graphene paper-based tandem metal-free thin-film supercapacitors with integrated 200 V output. Int. J. Extrem. Manuf. 7 055501. 

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/add227

撰稿 | 文章作者

1. 文章导读

便携电子与物联网的兴起对高电压小体积储能器件提出迫切需求。基于传统高压薄膜超级电容器受限于昂贵电极材料、必备商业隔膜和金属集流体及复杂制造工艺等问题，近期，广东工业大学陈新教授、陈云教授课题组，提出三维多孔石墨烯纸的激光热解和无金属/隔膜串联薄膜超级电容器的堆叠集成技术，制造出小体积、高性能的高压串联薄膜超级电容器。该器件在~3.8 cm³的紧凑体积内实现了200 V的高压输出，能同时点亮100个LED灯30秒。研究成果以“3D graphene paper-based tandem metal-free thin-film supercapacitors with integrated 200 V output”为题，发表在《极端制造（英文）》期刊上。

2. 图文解析

本研究的创新之处在于展示了一种无金属/隔膜串联薄膜超级电容器的堆叠集成方法。通过激光热解机理（分子动力学仿真）和工艺参数优化（激光加工和薄膜厚度参数）研究，加工出超低电阻(4.88 Ω·square⁻¹)、超大晶格尺寸(96.1 nm)的自支撑三维多孔石墨烯纸，并以此同时用作电极材料、集流体和互连器，结合水凝胶电解质和柔性掩膜等，成功制造出单个无金属/隔膜的薄膜超级电容器。结合多个器件首尾相连的堆叠集成技术，实现了160个薄膜超级电容器的小体积集成，为器件高电压集成提供新思路（如图1所示）。

图1 无金属/隔膜串联薄膜超级电容器的制造与表征。

本研究的另一个亮点在于系统研究了单个到160个串联器件的电化学、柔性、高电压串联、电压密度等特性、等效电路模型及实际应用情况。结果表明，单个薄膜超级电容器展示出优异的电化学性能（高面电容和能量密度、低自放电）、循环稳定性和柔性性能（如图2）。所有串联器件（数量从1到160个）均表现出优异的性能均匀性。输出电压从1.2 V线性上升至200 V（如图3）。160个串联器件在约3.8 cm³的紧凑体积内表现出超高的电压密度，在充电至200 V时可以点亮 100 个 LED 30 秒或 3 W 灯泡 7 秒（如图4）。这项工作为以简单高效的方式实现串联无金属薄膜超级电容器提供了一种途径。

图2 单个薄膜超级电容器的电化学性能和柔性测试。

图3 串联薄膜超级电容器的电化学性能和等效电路模型图。

图4 160个串联薄膜超级电容器的性能对比和应用演示。

3. 总结与展望

本研究通过三维多孔石墨烯纸的激光热解和无金属/隔膜串联薄膜超级电容器的堆叠集成技术，解决了传统薄膜超级电容器依赖昂贵电极材料、金属集流体、商用隔膜及复杂制备工艺等瓶颈问题。独特的自支撑电极设计避免了传统金属集流体的体积冗余，而直接堆叠的串联策略进一步简化了制造流程，为微型电子设备的高集成度储能提供了创新解决方案。

4. 作者简介

刘辉龙

广东工业大学

刘辉龙，华南理工大学和Georgia Institute of Technology联合培养博士，广东工业大学“青年百人”计划A类人才，广州市科协“青年科技人才托举工程”入选者。主要从事激光加工多尺度微结构功能材料及其在微型电化学储能与传感等方面研究工作。以第一或通讯作者在ACS Nano、Nano Energy、Int. J. Extreme Manuf.、Chem. Eng. J.、J. Mater. Process. Technol.等国内外知名刊物发表SCI/EI检索论文19篇，其中封面论文3篇、IF>13的论文6篇。主持国家和省部级科研项目10余项。申请美国/中国发明专利20件，获授权11件。担任Exploration、《红外与激光工程》等期刊青年编委，Nanomaterials客座主编等。获得2023年广东省技术发明奖一等奖（排名15）。

陈云

广东工业大学

陈云，广东工业大学教授、副院长，国家优秀青年基金获得者，国家重点研发计划项目首席科学家。主要从事先进电子封装工艺与装备、半导体湿法刻蚀加工技术与器件、激光加工技术与装备等方向研究。主持国家和省部级科研项目近20项。在科学出版社出版专著1部，发表SCI论文80多篇，其中以第一作者或通讯作者身份在Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters等国际期刊上发表50篇；获发明专利授权140多件。担任International Journal of Extreme Manufacturing青年编委、广东省半导体装备及零部件学会副理事长等。获国家科技进步二等奖（排名第三）、广东省技术发明一等奖（排名第二）、中国机械工业科学技术一等奖（排名第二）、广东专利金奖（排名第二）等。

陈新

广东工业大学

陈新，广东工业大学教授、博导，省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室主任，粤港澳大湾区(广东)国创中心主任，曾任广东工业大学党委书记、校长。担任中国机械工程学会常务理事等。主要从事高速高精电子制造技术与装备等方面工作，作为第一完成人获得国家科技进步/技术发明二等奖3项、国家教学成果二等奖2项、中国专利优秀奖2项、中国机械工业科学技术一等奖1项、广东省专利金奖3项、广东省科学技术一等奖6项；发表学术论文400余篇，出版专著3部，获授权中国发明专利200余件，转让许可三千余万。曾获“丁颖科技奖”、国务院特殊津贴、“全国模范教师”、首届全国创新争先奖状、全国五一劳动奖章、何梁何利奖等荣誉，入选“国家新世纪百千万人才工程国家级人选”、广东省“南粤百杰”。