供稿人:贺佩、贺健康 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2019-10-25
微型超级电容器(Micro-supercapacitors，MSCs)相比于电池具有更高的功率密度和更长的使用寿命，是纳米机器人、微机电系统、分布式传感器网络等智能微电子的理想独立电源，然而目前报道的MSCs极少能同时具备高比表面积和体积电容。近期都柏林三一学院的V. Nicolosi教授及团队报道了一种可扩展柔性MSCs的高效、低成本的快速冲压生产策略，使用具有高导电性的新型亲水性2D金属碳化物和氮化物油墨（MXenes）作为活性材料，避免了使用石墨烯等疏水性电活性材料需要添加表面活性剂或聚合物。作者首先利用聚乳酸材料3D打印多种形状的印章，将其和2D碳化钛或碳氮化物油墨(Ti3C2Tx和Ti3CNTx，被称为MXenes)相结合，便可以制造具有可控结构的柔性的全MXene微型超级电容器，能为新一代微电子设备提供灵活、高效、具有一流性能的电源系统。
图 1 使用冲压策略制作基于全MXene的MSCs
作者设计具有所需配置的各种邮票并进行3D打印(图2a，b)，通过使用MXene墨水，相应的All-MXene MSCs被冲压，如图2c所示。作者通过扫描电镜对纸上的交叉指状Ti3C2Tx MSC(i-Ti3C2Tx)进行了检查，发现指状电极的宽度为≈415µm，间隙为≈550µm(图2D)。毫无疑问，手指电极的均匀性需要进一步提高，如图3c所示。复杂图案比如阴阳和螺旋Ti3C2Tx MSCs几何形状上的手指电极(分别标记为Y-和S-Ti3C2Tx)也可以采用相同的方法来制造。此外，纸上的这些MSCs是灵活的，在反复弯曲/释放时保持了有效的导电网络(电阻变化<15%)，如图3h所示，同时这些装置在暴露于空气6个月后也可以保持稳定。
图 2 a)操作中的3D打印机的照片，b)已打印的邮票，以及c)具有各种架构的已盖章的MXene MSCS。交指(i-)Ti3C2Tx油墨在d)低和e)高放大纸基上的SEM图像。f)纸张基板上I-Ti3CNTx油墨的俯视SEM图像。g)印制在PET基板上的I-Ti3C2Tx墨水。h)纸上I-Ti3C2Tx墨水的弯曲度的函数的电阻变化。插图是设备在各种弯曲状态下的照片。
文中制造的交错指状Ti3C2Tx MSC显示出较高的面积电容：当电流密度增加32倍时，在25µA cm−2时面积电容为61 mF cm−2，当电流密度增加32倍时面积电容提升到50 mF cm−2。不仅如此，Ti3C2Tx MSCs还具备电容电荷存储特性、良好的循环寿命、高能量和功率密度等。这样的高性能Ti3C2Tx MSCs的生产可以很容易地通过设计衬垫或圆柱形印章，然后进行冷轧工艺进行放大。在冷压或轧制时，几十个具有高面积电容(10mV s-1时为56.8 mV cm-2)的MSCs在几秒钟内制造完成。通过进一步优化MXene的合成、调整MXene薄片的组成、表面化学处理和冲压设计等，能够实现更高的面积和体积电容。
综上，该研究展示了一种通过3D打印技术和粘性MXene水性油墨的结合，快速创建高性能、共面的全MXene MSCs的新型冲压策略，，为可印刷储能器件的制造和应用提供极具应用潜力的发展机会。