MXenes通常具有高金屬導(dǎo)電性、優(yōu)異的親水性、可調(diào)節(jié)的層間間距和高電荷存儲容量,在微型超級電容器領(lǐng)域表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢。MXene的親水性和由表面官能團(tuán)帶來的高負(fù)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(wěn)定的膠體分散體,拓展了其在溶液加工過程中的應(yīng)用,包括涂層、印刷,有利于高性能MXene基微型超級電容器(MXene MSCs)的直接構(gòu)建。同時,將MXene MSCs整合到功能性微電子器件中也是其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵動力,這需要MXene MSCs與其他功能器件在制造和功能上的相互兼容。對此,西南交通大學(xué)楊維清教授及其博士研究生黃海超等人從油墨流變學(xué)、微電極設(shè)計和集成系統(tǒng)等方面總結(jié)了MXene微型超級電容器的最新進(jìn)展,闡明了當(dāng)前開發(fā)高性能MXene MSCs的面臨的挑戰(zhàn)和前景。

圖1.MXene MSCs概述:可調(diào)節(jié)MXenes油墨、平面內(nèi)MXene MSCs及其集成系統(tǒng)。


1.MXene墨水的流變性


油墨成分的組成和各成分之間的協(xié)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(jié)果是否具有一致性和可重復(fù)性。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(guān),包括單層和多層MXene,墨水濃度,MXene片尺寸,和不同分散體等MXene在有機溶劑中的流變性與與水分散體類似,但相關(guān)的研究較少。


MXene的親水性的表面官能團(tuán)和負(fù)的zeta電位賦予了MXene在極性溶劑中的穩(wěn)定分散性,這有利于MXene通過溶液加工技術(shù)來構(gòu)建微型超級電容器。目前,MXene MSCs的工作主要集中MXene改性、插層/復(fù)合、微結(jié)構(gòu)設(shè)計(3D,非對稱結(jié)構(gòu)等)等方面,旨在進(jìn)一步提升器件的面積能量密度,滿足實際應(yīng)用場景的需求。


通過溶液加工過程制造MXene MSCs的方法,包括噴涂/旋涂、3D打印、墨水書寫、圖案涂覆、絲網(wǎng)印刷等涂層和印刷技術(shù)。

目前,MXene MSCs的焦點主要集中在制造技術(shù)和電極材料的優(yōu)化上,對功能性集成關(guān)注較少。首先,為了滿足不同應(yīng)用場景的需求,MXene MSCs往往需要通過串并聯(lián)來獲得更高的輸出電壓或者更高的儲能容量。MXene基微型超級電容器集成系統(tǒng)的供能方式主要有納米發(fā)電機、太陽能電池以及無線充電等。MXene MSCs的功能化集成主要體現(xiàn)在微傳感、濾波、光電探測以及電磁屏蔽等方面。其中,多功能集成系統(tǒng)中MXene MSCs模塊的性能如表1所示。