Adv.Mater.：MXene墨水实现电化学储能设备打印，适用于全柔性自供电集成系统

一、文章概述

人类的未来在物联网、个人健康监控系统和智慧城市等领域拥有广阔的前景。为了实现这一宏伟目标，电子设备必须具有可穿戴性、环境可持续性和安全性。然而，利用多功能材料大规模制造自给自足的电子系统仍然面临着巨大的障碍。本文报道了一种可作为无添加剂的高电容电极、灵敏的压力感应材料、高导电的集电器、无金属的互连件和导电粘合剂的多功能水性可印刷MXene油墨。（1）通过直接丝网印刷MXene油墨，可以在各种基材上精细地制造MXene基微型超级电容器（MSC）和锂离子微型电池。所制备的MSC具有1.1Fcm^-2的超高面积电容，而串联的MSC提供60V的创纪录电压。准固态锂离子微型电池提供了154μWhcm^-2的优异面积能量密度。（2）此外，通过串联太阳能电池、锂离子微型电池和MXene水凝胶压力传感器的无缝集成，展示了基于多任务MXene墨水在单一基材上的全柔性自供电集成系统。值得注意的是，该集成系统对人体运动异常敏感，具有35ms的快速响应时间。因此，这种多用途MXene墨水为推动未来的智能可穿戴电子器件开辟了一条新途径。

二、图文导读

图1.可印刷MX-微型超级电容器，MX-锂离子微型电池和全柔性自供电集成系统的制造示意图。

a）从水性MXene油墨的直接丝网印刷中获得的MX-微型超级电容器的示意图。

b）通过对基于MXene的LTO和LFP水性油墨进行逐步丝网印刷来制造MX-LIMB。

c）通过在一个柔性基板的同一面上分步进行MX-锂离子微型电池和MXene水凝胶传感器的分步丝网印刷（带有PECVD生长的Si-SC）来构建自供电传感器系统的示意图。

图2.水性MXene油墨的性质和特性。

a）正常和反转状态下的H-MXene水性墨水的光学图像（左）以及在各种基材上制造的MX-微型超级电容器（右）。

b）正常和反转状态下的L-MXene油墨的光学图像（左），PET基材上制备的MX-微型超级电容器和丝网印刷后使用的丝网（右）。

c）MXene纳米片的透射电子显微镜和选择区域电子衍射图像。

d）H-MXene和L-MXene油墨的表观粘度与剪切速率的关系。

e）H-MXene和L-MXene油墨的粘度变化是交替的低（0.1s^-1）和高（100s^-1）剪切速率的函数。

f）H-MXene和L-MXene油墨的储能模量和损耗模量与剪切应力的关系。

g）各种丝网印刷的MXene图案的照片，包括“DICP”徽标，大地和具有不同形状的MX-微型超级电容器。

h）丝网印刷的MXene膜的俯视图和i）横截面SEM图像。

j）剪切相互作用后有序排列的MXene纳米片的示意图。

图3.在A4纸上打印的MX-微型超级电容器的电化学性能。

a）从2到50mVs^-1测得的CV曲线。

b）在0.4mAcm^-2处获得的GCD曲线和c）MX-微型超级电容器s-1L，MX-微型超级电容器s-5L和MX-微型超级电容器s-10L的面电容。

d）具有1、5和10个印刷层的MXene薄膜的IV曲线。插图是MXene膜在A4纸上的SEM图像，比例尺为10μm。

e）这项工作的面积电容与其他已报道的微型超级电容器的面积电容的比较。

f）在3mAcm^-2下获得的循环稳定性。

g）与已报道的基于MXene和石墨烯的微型超级电容器相比，MX-微型超级电容器的Ragone图。

h）在100mVs^-1的各种弯曲状态下测试的CV曲线。

i）印刷的MXene膜的电阻。

j）100个串联的线性MX-微型超级电容器在平坦和弯曲状态下的照片。

k）20、60和100串联MX-微型超级电容器的CV曲线。

图4.水性基于MXene的LTO和LFP油墨的表征以及MX-锂离子微型电池的电化学性能。

a）基于MXene的LTO和LFP墨水以及制成的MX-锂离子微型电池的光学图像。

b）基于MXene的LTO和LFP油墨的表观粘度。

c）基于MXene的LTO和LFP微电极的XRD图谱。

d）印刷微电极的示意图结构。

e-h）印刷的基于MXene的LTO（e，g）和LFP（f，h）微电极的横截面SEM图像。

i）GCD曲线在不同的电流密度下测量；j）反复弯曲下的容量保持率；k）MX-锂离子微型电池的循环性能。

l）MX-锂离子微型电池的Ragone图以与以前的MB进行比较。

图5.用于压力感应的全灵活的基于MXene的自供电集成系统。

a）柔性串联Si-SC充电过程的示意图。

b）由MX-锂离子微型电池供电的传感器的过程示意图。

c）MX-锂离子微型电池的自放电曲线。

d）不锈钢基板上的柔性串联Si-SC的I–V曲线。

e）串联Si-SC充电60s后，不同电流密度下MX-锂离子微型电池的放电曲线。

f–h）由集成MX-锂离子微型电池驱动的MXene水凝胶传感器的电流变化，响应于手指的弯曲（f），肘部的弯曲（g）和垂直方向的压紧（h）。

三、论文信息

Multitasking MXene Inks Enable High-Performance Printable Microelectrochemical Energy Storage Devices for All-Flexible Self-Powered Integrated Systems

Advanced Materials (IF=27.398)

Pub Date : 2021-02-01

DOI: 10.1002/adma.202005449

Shuanghao Zheng; Hui Wang; Pratteek Das; Ying Zhang; Yuexian Cao; Jiaxin Ma; Shengzhong (Frank) Liu; Zhong-Shuai Wu