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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。