【顶刊好文】储能 |MXene基微型超级电容器和微型电池的研究现状及发展前景

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2 Energy Storage Materials 用于微型超级电容器和微型电池的 2D MXene 的近期现状和未来展望.pdf

研究速览

■ 近日，中国科学院大连化学物理研究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吴忠帅研究员团队在Energy Storage Materials上发表综述文章，系统总结了MXene基微型电化学储能器件的研究现状及发展前景。二维MXene材料在微型超级电容器和微型电池等微型储能器件（MESD）领域具有巨大的潜力，在可穿戴和微型化电子产品中具有广阔的应用前景。到目前为止，各种微加工技术已经被应用于MXene基MESD微电极的构建。在此，作者对MXene基MESD微电极的设计和微加工工艺的最新进展进行了全面的总结。并系统地概述了这些微细加工技术的优缺点，包括传统的掩膜辅助真空过滤和喷涂印刷方法，自动化激光或离子束图案化刻蚀等技术，高度可扩展的印刷技术和独特的纤维纺丝方法。为了促进MXene基MESD的进一步发展，作者指出了相关的技术挑战，并讨论了未来的发展前景。

Part1

▉ 研究摘要 ▉

■ 为了实现以可集成、可穿戴和多功能微电子为标志的“万物互联”的愿景，“智能”电子产品的出现使得微型超级电容器（MSCs）和微型电池（MBs）等兼容的微型电化学储能设备（MESD）的蓬勃发展成为必要。它们在微尺度无线传感器、微/纳米机器人、自供电系统、植入式医疗传感器、患者跟踪和定位方面的应用得到了密集的推广。

■ 电极材料作为MESD的关键部件，对MESD的整体性能起着举足轻重的作用。因此，开发高电导率、大容量的新型高性能电极材料势在必行。自2011年发现MXene以来，MXene作为一类新兴的二维层状过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，由于其独特的优势，如高导电性、快速电子传输和离子扩散、优异的亲水性、高机械性能、层间间距可调、形貌和厚度可控等，将成为一种非常有前景的微电极材料。

■ 构建小型化功能系统时，MESD模块与微电极材料之间的兼容制造和匹配是有效集成的关键。因此，在加工MXene基微电极时，微加工工艺是构建高性能MXene基MESD需要考虑的关键问题。到目前为止，MXene基微电极的制造加工已经开展了广泛的研究，对这一高度活跃的研究领域有必要及时全面地回顾二维MXene在MESD的最新研究成果。并系统地介绍各种相关的制备技术和工艺。

图1.MXene基MSCs和MBs的主要微加工技术

图2.MXene基MESD的发展方向

Part2

▉ 研究总结 ▉

■本综述全面总结了MXene基MSCs和MBs的关键微细加工技术和电化学性能。主要关注与MXene微电极和器件构置有关的技术，有利于提高MESDs的制造效率、可扩展性、适用性、安全性、环境友好性、功率/能量密度和循环寿命等。尽管MXene基MESD取得了很大进展，但仍面临着若干挑战和发展机遇。

（1）需要进一步提升MXene基MESD高能量密度和功率密度。对MXene微电极材料固有特性进行改性将是提升性能的一个重要方向。

（2）图案化微电极的微细加工技术也是实现高性能MXene基MESDs的关键。智能数字化的微细加工技术在大规模制备MESD方面具有光明的前景。

（3）电解液在MXene基MSCs的性能改进中起着至关重要的作用。未来有必要开发高安全性、高离子导电性、高稳定性、宽工作电压窗口和宽温度区间的新型电解液。

（4）MXene基MESD的基本电荷存储机理还不清晰明确，需要进一步深入研究。

（5）结合MXene的优势，开发出适合不同应用场景的高性能、多功能和数字化的MESD将是很有前途的方向。

这篇综述将从材料设计和微制造技术到微器件构建和相应应用提供一个全面的视角，这将极大地促进MXene基MESDs的发展。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.06.044

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