我所研制出可打印的微型超级电容器和自供电集成系统

  近日,我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组(508组)吴忠帅研究员团队与薄膜硅太阳电池研究组(DNL1606)刘生忠研究员团队合作,开发出一种水系MXene/PH1000杂化墨水,利用喷墨打印技术高精度、规模化制备出高体积容量的微型超级电容器,并构建出平面全柔性自供电温度传感系统。

  随着数字技术的发展,便携式和可穿戴微型电化学储能器件不仅需要高的电化学性能,还要求具有柔性、长寿命、可定制形状以及与微电子兼容集成等特性。将产能、储能和用能器件集成于一体,构建自供电系统可以解决可再生能源发电间歇性的问题。目前,这类集成微系统大多采用多种制造技术,如光刻、激光切割、电沉积等,不能保证良好的兼容性和低成本。喷墨打印是一种高精度、非接触、无需掩模板的打印技术,被认为是一种可定制化设计智能柔性电子产品有前景的策略。然而,制备性能稳定、可打印、环境友好的墨水仍具有挑战。

  近日,该合作团队报道了一种水系MXene/PH1000杂化墨水,具有高电导率、可调的粘度、卓越的打印性及长期稳定性,可同时作为高电容电极、高导电集流体、无金属连接线和导电粘合剂。喷墨打印的微型超级电容器具有754F/cm3的高体积电容量,5.4V/cm2的高面电压,60个串联的无金属集流体和连接线的微型超级电容器可以输出高达36V的电压。此外,合作团队还在柔性衬底上打印微型超级电容器与温度传感器,同时与柔性硅薄膜太阳电池集成,构建了全柔性自供电温度传感集成系统,实现了对温度变化的即时监测。该水系MXene杂化墨水为构建可打印的自供电微系统开辟了新的途径。

  在构建柔性微系统研究工作中,吴忠帅团队此前曾成功制备出双功能介孔聚吡咯/石墨烯材料用于自驱动气体监测(Adv. Funct. Mater.,2020);开发出多功能MXene油墨应用于身体运动监测(Adv. Mater.,2021);制备出高电压钾离子微型超级电容器用于压力传感器(Adv. Energy Mater.,2021)。

  相关研究成果以题为“Aqueous MXene/PH1000 Hybrid Inks for Inkjet-Printing Micro-Supercapacitors with Unprecedented Volumetric Capacitance and Modular Self-Powered Microelectronics”发表在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)上。该工作的第一作者是我所508组2018级博士研究生马佳鑫和郑双好副研究员。上述工作得到国家自然科学基金、中科院洁净能源创新研究院合作基金、辽宁省中央引导地方专项等项目的资助。(文/图 马佳鑫、郑双好)

  文章链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202100746

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