近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組（508組）吳忠?guī)浹芯繂T團隊與薄膜硅太陽電池研究組（DNL1606）劉生忠研究員團隊合作，開發(fā)出一種水系MXene/PH1000雜化墨水，利用噴墨打印技術高精度、規(guī)?；苽涑龈唧w積容量的微型超級電容器，并構建出平面全柔性自供電溫度傳感系統(tǒng)。
隨著數(shù)字技術的發(fā)展，便攜式和可穿戴微型電化學儲能器件不僅需要高的電化學性能，還要求具有柔性、長壽命、可定制形狀以及與微電子兼容集成等特性。將產(chǎn)能、儲能和用能器件集成于一體，構建自供電系統(tǒng)可以解決可再生能源發(fā)電間歇性的問題。目前，這類集成微系統(tǒng)大多采用多種制造技術，如光刻、激光切割、電沉積等，不能保證良好的兼容性和低成本。噴墨打印是一種高精度、非接觸、無需掩模板的打印技術，被認為是一種可定制化設計智能柔性電子產(chǎn)品有前景的策略。然而，制備性能穩(wěn)定、可打印、環(huán)境友好的墨水仍具有挑戰(zhàn)。
噴墨打印微型超級電容器及自供電集成系統(tǒng)構筑的示意圖
近日，該合作團隊報道了一種水系MXene/PH1000雜化墨水，具有高電導率、可調的粘度、卓越的打印性及長期穩(wěn)定性，可同時作為高電容電極、高導電集流體、無金屬連接線和導電粘合劑。噴墨打印的微型超級電容器具有754F/cm3的高體積電容量，5.4V/cm2的高面電壓，60個串聯(lián)的無金屬集流體和連接線的微型超級電容器可以輸出高達36V的電壓。此外，合作團隊還在柔性襯底上打印微型超級電容器與溫度傳感器，同時與柔性硅薄膜太陽電池集成，構建了全柔性自供電溫度傳感集成系統(tǒng)，實現(xiàn)了對溫度變化的即時監(jiān)測。該水系MXene雜化墨水為構建可打印的自供電微系統(tǒng)開辟了新的途徑。
在構建柔性微系統(tǒng)研究工作中，吳忠?guī)泩F隊此前曾成功制備出雙功能介孔聚吡咯/石墨烯材料用于自驅動氣體監(jiān)測（Adv. Funct. Mater.，2020）；開發(fā)出多功能MXene油墨應用于身體運動監(jiān)測（Adv. Mater.，2021）；制備出高電壓鉀離子微型超級電容器用于壓力傳感器（Adv. Energy Mater.，2021）。
相關研究成果以題為“Aqueous MXene/PH1000 Hybrid Inks for Inkjet-Printing Micro-Supercapacitors with Unprecedented Volumetric Capacitance and Modular Self-Powered Microelectronics”發(fā)表在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）上。該工作的第一作者是大連化物所二維材料化學與能源應用研究組2018級博士研究生馬佳鑫和鄭雙好副研究員。上述工作得到國家自然科學基金、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、遼寧省中央引導地方專項等項目的資助。
