中國科學院大連化物所研制出多功能MXene油墨

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員吳忠?guī)泩F隊與研究員劉生忠團隊合作，開發(fā)出多功能的水系MXene 絲網(wǎng)印刷油墨，高通量制備出可打印的高比能微型超級電容器和微型鋰離子電池，餅構(gòu)建出基于MXene的全柔性自供電壓力傳感系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和醫(yī)療監(jiān)控等電子設(shè)備的發(fā)展刺激了人們對功能靈敏、壽命長、兼容性強的微型化與柔性化電子產(chǎn)品的追求。集產(chǎn)能、儲能、用能于一體的自供電系統(tǒng)被認為是一種可行的方法來制造智能電子產(chǎn)品以滿足上述需求。目前，這類集成系統(tǒng)大多采用多種制造方法，如光刻、激光切割、電沉積等，但無法保證良好的兼容性和低成本。絲網(wǎng)印刷技術(shù)具有成本效益、高通量和環(huán)境友好等優(yōu)點，在集成電路和功能器件等方面具有應(yīng)用潛力。然而，開發(fā)多功能油墨工作頗具挑戰(zhàn)。MXene是一種新興的二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物，具有獨特的電化學、力學、光學和機械性能，可通過開發(fā)多功能MXene油墨實現(xiàn)兼容集成。

圖1 大連化物所研制出多功能MXene油墨應(yīng)用于微型儲能器件和自供電集成系統(tǒng)

近日，科研人員設(shè)計并開發(fā)出一種多功能的水系可印刷MXene油墨，可同時作為高電容電極、靈敏的壓力傳感材料、高導電集流體、無金屬連接線和導電粘合劑。研究發(fā)現(xiàn)，通過直接絲網(wǎng)印刷水系MXene 油墨，可在各種基板上大規(guī)模制備出MXene 基微型超級電容器（MX-MSCs）。所制備的微型超級電容器具有1.1F/cm2 的高面積電容量，通過疊層印刷MXene 油墨，100 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60V 的電壓。研究還發(fā)現(xiàn)，印刷鈦酸鋰和磷酸鐵鋰與MXene復合油墨可獲得鋰離子微型電池（MX-LIMBs），具有154μWh/cm2的高面積能量密度。此外，科研人員借助多功能的MXene 油墨實現(xiàn)了柔性太陽能電池、微型超級電容器/鋰離子微型電池、MXene水凝膠壓力傳感器的無縫集成，構(gòu)建了全柔性自供電壓力傳感集成系統(tǒng)。該集成系統(tǒng)對身體運動響應(yīng)較為敏感，響應(yīng)時間僅35毫秒。該多功能MXene油墨為構(gòu)建可打印的自供電微系統(tǒng)開辟了新途徑。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進材料》上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金等的資助。