面向集成微系统供电：《Light》揭示石墨烯混合材料微型电容器的结构化电极设计与性能优化

01

前言

近日，我国科研团队在微型储能器件领域取得重要突破，相关成果发表于国际光学期刊《Light: Science & Applications》。该研究提出了一种基于飞秒激光等离子体光刻与空间光调制技术的高效制备方法，成功实现了高性能、结构化的平面微型超级电容器的规模化制造，为下一代集成化、柔性化电子系统提供了可靠的能源解决方案(https://doi.org/10.1038/s41377-025-02182-5)。

02

核心内容

研究团队提出了一种名为SLM-FPL的创新技术，将飞秒激光与空间光调制器相结合，实现了“一步成型”的高效加工：

高效率：在0.5×0.5cm²区域内，仅用约50秒即可同时完成氧化石墨烯的还原与微纳光栅结构的制备，加工效率相比传统激光直写提升超过7000倍。

高精度：电极表面形成周期约680纳米的规则光栅结构，器件集成密度可达每平方英寸25个以上。

高性能：通过调控结构、润湿性与电场分布，器件体积比容量提升至41.4Fcm⁻³，循环5000次后容量保持率超过93%。

研究通过实验与模拟结合，揭示了微纳结构的多重增效机制：

1.增大比表面积：光栅结构显著增加电极活性位点。

2.改善润湿性：结构表面更亲水，促进电解质浸润与离子传输。

3.调控电场分布：结构边缘电场增强，提升电荷积累与传输效率。

4.引入材料协同效应：结合MXene、共价有机框架等材料，进一步优化电容行为。

03

研究意义

该工作不仅提出了一种高效、灵活、可扩展的微型超级电容器制备技术，更通过“结构性能应用”的全链条设计，推动了微型储能器件向高性能化、集成化、系统化方向发展。未来，该技术有望应用于智能穿戴、植入式医疗设备、分布式传感网络等领域，为“微型化能源自主”提供关键技术支撑。

图1：采用SLM-FPL技术快速制备阵列化石墨烯基SEP-MSCs的示意图

图2：激光处理前后GO薄膜的形貌与特性对比

图3：电极表面结构调控下的界面润湿性与电场响应特性

图4：SEP-MSCU、SEP-MSCPL与SEP-MSCPP器件电化学性能对比

图5：基于石墨烯混合物的SEP-MSCs性能分析与应用演示

【注】小编水平有限，若有误，请联系修改；若侵权，请联系删除！