变废为宝：无添加剂MXene沉积油墨用于微型超级电容器

【研究背景】

智能电子和物联网（IoT）的发展极大地促进了功能材料和设备的发展，特别是小型超级电容器（或微型超级电容器，MSC）。组装具有高能量密度，长循环寿命和低成本的快速充电/放电速率的MSC仍然是主要挑战。尽管诸如模板过滤，光刻，喷涂掩膜和激光/等离子切割之类的图案化方法可以部分满足要求，但所涉及的冗长程序和材料浪费不可避免地限制了这些方案对高性能MSC的大规模生产。这意味着寻求新颖的材料和以低成本开发可扩展器件的技术具有很高的需求。

【成果简介】

最近，瑞士Empa功能聚合物实验室Frank Nüesch教授课题组在国际顶级学术期刊Advanced Materials上发表一篇题目为：Turning Trash into Treasure: Additive Free MXene Sediment Inks for Screen‐Printed Micro‐Supercapacitors的研究论文，文中展示了具有一定流变特性的可伸缩丝网印刷的无添加剂二维碳化钛MXene水性油墨。重要的是，油墨主要由未蚀刻的前驱体和多层MXene的沉积物组成，沉积物通常在分层后将其丢弃。丝网印刷的结构被呈现在纸上，具有高分辨率和空间均匀性，包括微型超级电容器、导电线路、集成电路路径等。结果表明，层状颗粒中的分层的纳米片具有高效导电结合剂的功能，维持了金属导电网络的力学完整性。印刷的微型超级电容器的面积电容（158 mF cm^-2）和能量密度（1.64 μWh cm^-2）远远优于其他基于MXene或石墨烯的器件。丝网印刷“变废为宝”的油墨配方策略凸显了无浪费的MXene沉积物印刷技术在可扩展和可持续生产下一代可穿戴智能电子产品方面的潜力。

【图文导读】

示意图1. MXene沉积物直接丝网印刷的示意图

图1.MXene沉积油墨的特性

图2. MXene沉积油墨的丝网印刷

图3. 丝网印刷的MXene微型超级电容器的电化学表征

图4. 器件配置对电化学性能的影响

图5. 基于MXene沉积油墨的微型超级电容器的可扩展生产

【本文总结】

本文演示了无添加剂MXene沉积油墨的配方以及具有高分辨率和空间均匀性的各种图案和结构的可扩展印刷。在保持连续的金属网和机械完整性的同时，含有少量脱层的MXene纳米片对于促进油墨配方是至关重要的。印刷的弹性MSC具有出色的电荷存储性能，包括高面积电容和高能量/功率密度，超过了迄今为止已知的所有印刷MSC。这种基于MXene的“网状”沉积物的丝网印刷技术无浪费，可扩展且成本低廉。因此，它与物联网（IoT），智能标签，智能包装等领域相关，这些领域需要更便宜且易于集成的组件。考虑到丰富的MXene家族，“变废为宝”油墨配方策略具有更广泛的应用范围。它们在储能，传感器，天线，电磁屏蔽等方面的出色性能得到证实，这些油墨的重要性可能会越来越大。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202000716.

信息来源： MXene Frontier