利用2D金屬碳化物和氮化物油墨（MXenes）沖壓法制造柔性共面微型超級電容器

供稿人:賀佩、賀健康

微型超級電容器(Micro-supercapacitors，MSCs)相比于電池具有更高的功率密度和更長的使用壽命，是納米機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)、分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)等智能微電子的理想獨(dú)立電源，然而目前報(bào)道的MSCs極少能同時(shí)具備高比表面積和體積電容。近期都柏林三一學(xué)院的V. Nicolosi教授及團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種可擴(kuò)展柔性MSCs的高效、低成本的快速沖壓生產(chǎn)策略，使用具有高導(dǎo)電性的新型親水性2D金屬碳化物和氮化物油墨（MXenes）作為活性材料，避免了使用石墨烯等疏水性電活性材料需要添加表面活性劑或聚合物。作者首先利用聚乳酸材料3D打印多種形狀的印章，將其和2D碳化鈦或碳氮化物油墨(Ti3C2Tx和Ti3CNTx，被稱為MXenes)相結(jié)合，便可以制造具有可控結(jié)構(gòu)的柔性的全MXene微型超級電容器，能為新一代微電子設(shè)備提供靈活、高效、具有一流性能的電源系統(tǒng)。

圖 1 使用沖壓策略制作基于全MXene的MSCs

作者設(shè)計(jì)具有所需配置的各種郵票并進(jìn)行3D打印(圖2a，b)，通過使用MXene墨水，相應(yīng)的All-MXene MSCs被沖壓，如圖2c所示。作者通過掃描電鏡對紙上的交叉指狀Ti3C2Tx MSC(i-Ti3C2Tx)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)指狀電極的寬度為≈415μm，間隙為≈550μm(圖2D)。毫無疑問，手指電極的均勻性需要進(jìn)一步提高，如圖3c所示。復(fù)雜圖案比如陰陽和螺旋Ti3C2Tx MSCs幾何形狀上的手指電極(分別標(biāo)記為Y-和S-Ti3C2Tx)也可以采用相同的方法來制造。此外，紙上的這些MSCs是靈活的，在反復(fù)彎曲/釋放時(shí)保持了有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)(電阻變化<15%)，如圖3h所示，同時(shí)這些裝置在暴露于空氣6個月后也可以保持穩(wěn)定。

圖 2 a)操作中的3D打印機(jī)的照片，b)已打印的郵票，以及c)具有各種架構(gòu)的已蓋章的MXene MSCS。交指(i-)Ti3C2Tx油墨在d)低和e)高放大紙基上的SEM圖像。f)紙張基板上I-Ti3CNTx油墨的俯視SEM圖像。g)印制在PET基板上的I-Ti3C2Tx墨水。h)紙上I-Ti3C2Tx墨水的彎曲度的函數(shù)的電阻變化。插圖是設(shè)備在各種彎曲狀態(tài)下的照片。

文中制造的交錯指狀Ti3C2Tx MSC顯示出較高的面積電容：當(dāng)電流密度增加32倍時(shí)，在25μA cm−2時(shí)面積電容為61 mF cm−2，當(dāng)電流密度增加32倍時(shí)面積電容提升到50 mF cm−2。不僅如此，Ti3C2Tx MSCs還具備電容電荷存儲特性、良好的循環(huán)壽命、高能量和功率密度等。這樣的高性能Ti3C2Tx MSCs的生產(chǎn)可以很容易地通過設(shè)計(jì)襯墊或圓柱形印章，然后進(jìn)行冷軋工藝進(jìn)行放大。在冷壓或軋制時(shí)，幾十個具有高面積電容(10mV s-1時(shí)為56.8 mV cm-2)的MSCs在幾秒鐘內(nèi)制造完成。通過進(jìn)一步優(yōu)化MXene的合成、調(diào)整MXene薄片的組成、表面化學(xué)處理和沖壓設(shè)計(jì)等，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的面積和體積電容。

綜上，該研究展示了一種通過3D打印技術(shù)和粘性MXene水性油墨的結(jié)合，快速創(chuàng)建高性能、共面的全MXene MSCs的新型沖壓策略，，為可印刷儲能器件的制造和應(yīng)用提供極具應(yīng)用潛力的發(fā)展機(jī)會。

參考文獻(xiàn)：
Zhang, C. F. (John), Kremer, M. P., Seral‐Ascaso, A., Park, S.‐H., McEvoy, N., Anasori, B., Gogotsi, Y., Nicolosi, V., Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1705506. https://doi.org/10.1002/adfm.201705506

供稿人:賀佩、賀健康 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室