便携式电子设备提高了对在有限区域内具有高功率密度和机械灵活性的超级电容器的需求。然而，目前商业化的设备具有平面内叉指配置和厚度受限的三明治设计，限制了它们的机械特性。

在发表在 ACS Nano杂志上的本研究中，构建了空间交错 (SI) 石墨烯超级电容器。在这里，石墨烯微电极在三维 (3D) 空间中堆叠为多层。此外，每个微电极都与四个反微电极相匹配，所有 3D 空间交错微电极之间的间隙都很窄，这有助于设备中的有效离子传输。

结果表明，SI 石墨烯超级电容器在 100 微米厚的器件上显示出 36.46 毫法拉/平方厘米的高比面积电容和 5.34 微瓦时/平方厘米的能量密度。

每一层中的微电极都是相互交叉的，这赋予了所构建的石墨烯超级电容器出色的机械柔韧性，即使在 104 次弯曲测试循环后也表现出约 98.7% 的性能保持率。

构建的 SI 石墨烯超级电容器在受限区域内具有集成的机械灵活性和高区域能量密度。因此，这些 SI 石墨烯超级电容器单元在可穿戴设备、计算器和发光二极管 (LED) 中具有巨大潜力。

石墨烯超级电容器

由于对便携式和可穿戴电子产品的巨大需求，开发具有灵活配置和高功率密度的电源是一个新的研究兴趣。超级电容器的高存储容量使其能够应用于现代电子产品，提供短充电时间、结构可设计性和长循环稳定性。

传统的夹层超级电容器缺乏有限的厚度，并且电解质和电极之间的离子交换效率低下，导致功率密度低。尽管平面内超级电容器可以增加厚度并促进电极材料负载以实现高面积能量密度，但额外的电极材料负载会导致机械刚度。

石墨烯具有大的比表面积、高的导电性、优异的机械柔韧性和优异的电化学性能。因此，碳在超级电容器中被石墨烯取代。表面积对电容至关重要，由于石墨具有高表面积，它可以在石墨烯超级电容器中提供更好的静电荷存储。

石墨烯超级电容器已从实验室原型迅速发展为可能很快与商用电池竞争的商用电子设备。石墨烯超级电容器利用其弹性特性、轻质特性和机械强度。

因此，石墨烯超级电容器可以存储与电池等量的能量，并且可以快速充电。此外，石墨烯超级电容器比目前商业化的电池更安全、更环保，并且可以在不会过热或爆炸的情况下运行。

具有高面积能量密度和机械柔韧性的石墨烯超级电容器

在目前的工作中，SI石墨烯超级电容器的开发具有机械灵活性和高面积能量密度。在这个超级电容器中，石墨烯微电极在有限的 3D 空间内堆叠成多层。每个微电极与四个反微电极匹配，扩大了微电极之间的表面积。

具有狭窄间隙的 3D 空间交错微电极有助于在 100 微米厚的器件中进行有效的离子传输。此外，由于所有石墨烯微电极层中的交叉指状微电极，SI 石墨烯超级电容器的优异机械柔韧性得以保持。

结果证实了石墨烯微电极的层数与 SI 石墨烯超级电容器的面积电容之间的相关性，而在平面内或三明治结构设计的电容器中不存在这种相关性。

100 微米厚的 SI 石墨烯超级电容器在每秒 20 毫伏的扫描速率和每平方厘米 5.34 微瓦时的能量密度下表现出 36.46 毫法拉/平方厘米的比面积电容。此外，在超过 104 个循环后，大约 98.7% 的初始电容在弯曲状态下保持不变。

将 SI 石墨烯超级电容器单元集成到柔性储能设备或电力电子设备中是一个简单的过程。石墨烯超级电容器上的灵活配置和 3D 空间交错为其在具有高面积功率密度的便携式/可穿戴电子设备中的应用提供了良好的前景。

结论

基于反向堆叠微电极和有限3D空间内的空间交错设计，构建了具有机械柔性的100微米厚度的SI石墨烯超级电容器，其中电容随厚度线性增加。

此外，由于倒置的堆叠结构，扩大了对面面积；因此，在电荷耗散过程中保持了有效的微电极间离子传输，并提高了库仑效率。

所构建的 SI 石墨烯超级电容器在每秒 20 毫伏的扫描速率下表现出每平方厘米 36.46 毫法拉的高比面积电容，能量密度为每平方厘米 5.34 微瓦时。

此外，在 104 次循环后保持 98.7% 的初始电容。SI石墨烯超级电容器的并联或简单串联可提供更高的电容和电压，有利于它们在商业电子设备中的应用。