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西南交通大學楊維清教授ACS Nano: 聚焦MXene基微型超級電容器—微電極設計與系統整合

2024-02-13 13:31:37

MXenes 通常具有高金屬導電性、優異的親水性、可調節的層間間距和高電荷儲存容量,在微型超級電容器領域表現出突出的優勢。MXene的親水性和由表面官能團帶來的高負電荷(zeta 電位約為 -38 mV),使其可以在水性和有機溶劑中形成穩定的膠體分散體,拓展了其在溶液加工過程中的應用,包括塗層、印刷,有利於高效能MXene基微型超級電容器(MXene MSCs)的直接構建。同時,將MXene MSCs整合到功能性微電子器件中也是其產業化發展的關鍵動力,這需要 MXene MSCs與其他功能器件在製造和功能上的相互相容。對此,西南交通大學楊維清教授及其博士研究生黃海超等人從油墨流變學、微電極設計和整合系統等方面總結了 MXene 微型超級電容器的最新進展,闡明瞭當前開發高效能 MXene MSCs的面臨的挑戰和前景。

圖1. MXene MSCs概述:可調節MXenes油墨、平面內MXene MSCs及其整合系統。

  1. 1.MXene墨水的流變性

油墨成分的組成和各成分之間的協同作用決定了油墨的流變特性,它很大程度上決定了印刷結果是否具有一致性和可重複性(圖2)。MXene油墨大體可以分為水系和有機油墨。MXene水系油墨的流變性和多種因素有關,包括單層和多層MXene,墨水濃度,MXene片尺寸,和不同分散體等(圖3)。MXene在有機溶劑中的流變性與與水分散體類似,但相關的研究較少(圖4)。

圖2. 二維功能墨水的流變性。

圖3. MXene水性油墨的流變性。

圖4. MXene有機油墨的流變性。

  1. 2.MXene基微型超級電容器

MXene的親水性的表面官能團和負的zeta電位賦予了MXene在極性溶劑中的穩定分散性,這有利於MXene透過溶液加工技術來構建微型超級電容器(圖5)。目前,MXene MSCs的工作主要集中MXene改性(圖6)、插層/複合(圖7)、微結構設計(3D,非對稱結構等)(圖8,9)等方面,旨在進一步提升器件的面積能量密度,滿足實際應用場景的需求。

圖5. 透過溶液加工過程製造MXene MSCs的方法,包括噴塗/旋塗、3D列印、墨水書寫、圖案塗覆、絲網印刷等塗層和印刷技術。

圖6. 基於改性MXene的MSCs。

圖7. 基於插層/複合MXene的MSCs。

圖8. 3D MXene結構。

圖9. 非對稱 MXene MSCs。

  1. 3.MXene MSCs的功能整合

目前,MXene MSCs 的焦點主要集中在製造技術和電極材料的最佳化上,對功能性整合關注較少。首先,為了滿足不同應用場景的需求,MXene MSCs往往需要透過串並聯來獲得更高的輸出電壓或者更高的儲能容量(圖10)。MXene基微型超級電容器整合系統的供能方式主要有奈米發電機、太陽能電池以及無線充電等(圖11)。MXene MSCs的功能化整合主要體現在微感測、濾波、光電探測以及電磁遮蔽等方面(圖12,13)。其中,多功能整合系統中MXene MSCs模組的效能如表1所示。

圖10. MXene MSCs的串並聯整合。

圖11. MXene MSCs的供能方式。

圖12. MXene MSCs的功能性整合。

圖13. MXene MSCs用於交流濾波。

表 1. MXene MSCS的電化學效能及其整合應用。

Note: BP – black phosphorus; LTO – lithium titanate; LFP – lithium iron phosphate; Co-Al-LDH – Co-Al layered double hydroxide; NMP – N-methyl-2-pyrrolidone; GO – graphene oxide; PEDOT – poly(3,4-ethylenedioxy thiophene).

通訊作者簡介

楊維清教授簡介:西南交通大學前沿科學研究院院長,從事能源資訊材料與器件研究,在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater,ACS Nano,Nano Lett,Adv. Funct. Mater.,等國際著名刊物上發表SCI收錄論文共計240餘篇,入選Elsevier高被引學者、Stanford-Elsevier全球全領域2%Top科學家;長期擔任科技部重大研發計劃專案會評專家和國家科技獎評審專家;科技成果轉化專利30餘項,轉化經費3000餘萬元;擔任中國超級電容器產業聯盟副秘書長;獲得教育部創新團隊、省“青年科技創新研究團隊”、省傑出青年基金、省“QR計劃”創新人才。所做工作被美國國家自然基金委(NSF)、Newscientist,CCTV等近20家媒體專題報道。

Email:[email protected]

主頁:
https://faculty.swjtu.edu.cn/yangweiqing/zh_CN/index/128089/list/index.htm

來源:高分子科學前沿--作者團隊獨家授權釋出

宣告:僅代表作者個人觀點,作者水平有限,如有不科學之處,請在下方留言指正!

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