【前言】

使用煤炭、石油和天然氣等稀缺化石燃料的能源生產(chǎn)正在世界范圍內(nèi)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問(wèn)題。人類(lèi)迫切需要開(kāi)發(fā)可再生資源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能和地?zé)崮堋Ｈ欢捎谶@些自然資源的間歇性，儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)存這些資源產(chǎn)生的電力方面發(fā)揮著重要作用。在各種存儲(chǔ)介質(zhì)中，包括可充電電池(RBs)和超級(jí)電容器(SCs)的電化學(xué)能量存儲(chǔ)設(shè)備廣泛用于便攜式電子設(shè)備(例如移動(dòng)設(shè)備、多媒體播放器和個(gè)人醫(yī)療設(shè)備)、介質(zhì)運(yùn)輸系統(tǒng)(例如電動(dòng)車(chē)輛和航空航天)和大規(guī)模能量存儲(chǔ)系統(tǒng)(例如電網(wǎng))。

【成果簡(jiǎn)介】

如今，人們對(duì)便攜式、可植入式和可穿戴式電子設(shè)備的日益增長(zhǎng)的需求極大地刺激了小型化儲(chǔ)能設(shè)備(MESDs)的發(fā)展。電化學(xué)活性材料和微細(xì)加工技術(shù)是MESDs中不可缺少的兩個(gè)部分。特別是，微電極陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于二維(2D)活性材料的獲得。近日，來(lái)自德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)的首席教授，上海交通大學(xué)特聘教授馮新亮以及上海交通大學(xué)的莊小東特別研究員（共同通訊）在Chem. Soc. Rev.上發(fā)表文章，題為：Two-dimensional materials for miniaturized energy storage devices: from individual devices to smart integrated systems。作者綜述了基于電化學(xué)活性2D材料的微電池和微超級(jí)電容器的最新進(jìn)展。新興的微細(xì)加工策略能夠精確控制小型化器件的厚度、均勻性、結(jié)構(gòu)和尺寸，這為實(shí)現(xiàn)高能量和功率密度提供了巨大的機(jī)會(huì)。此外，隨著智能和交互模式的出現(xiàn)，對(duì)智能功能和集成系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)討論。最后，作者提供了與2D材料、器件制造、智能響應(yīng)設(shè)計(jì)和微器件集成相關(guān)的未來(lái)發(fā)展、機(jī)遇和緊迫挑戰(zhàn)。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 微能源存儲(chǔ)系統(tǒng)

圖2.當(dāng)前綜述內(nèi)容的示意圖，包括電化學(xué)活性2D材料、制造技術(shù)、功能響應(yīng)和智能集成系統(tǒng)

圖3. 基于少層石墨烯的雙離子MB

圖4. 基于Si納米膜的MB和在鋰化/脫鋰氧化還原反應(yīng)期間Si納米膜電導(dǎo)率的原位探測(cè)

圖5. 使用EG薄膜作為微電極的噴墨印刷MSCs

圖6. 具有多孔石墨烯網(wǎng)絡(luò)的LIG基MSCs

圖7. 具有兩個(gè)PANI-G層和三個(gè)EG層的基于交替堆疊的2D結(jié)構(gòu)的面內(nèi)MSCs

圖8. 面內(nèi)LIG–FeOOH//LIG–MnO ₂ AMSCs

圖9. 基于剝離的TaS ₂層的面內(nèi)MSCs

圖10. 通過(guò)激光劃線(xiàn)和電沉積具有高工作電壓的面內(nèi)混合MSCs

圖11.  MXene基MSCs的噴涂

圖12. 基于2D共軛聚合物作為微電極制造MSCs的LBL方法

圖13. 基于2D EG/V2O5微電極的智能電致變色MESD

圖14. 能量收集集成系統(tǒng)

【總結(jié)】

新興的電化學(xué)活性2D材料為高性能、可靠和可升級(jí)的MESDs的未來(lái)發(fā)展打開(kāi)了一扇新的窗口。本文綜述了MESDs在多種2D材料、微制造方法和設(shè)計(jì)技術(shù)方面的最新成就。二維材料，包括石墨烯、TMOs/TMHs、TMDs、MXenes和二維有機(jī)骨架材料，研究人員已經(jīng)根據(jù)它們對(duì)MSCs和MBs的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。另一方面，器件制造在技術(shù)創(chuàng)新中起著關(guān)鍵作用，這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響MESDs的復(fù)雜性和大規(guī)模生產(chǎn)。研究人員還認(rèn)為，引入智能功能和將微型設(shè)備集成到系統(tǒng)中對(duì)于促進(jìn)智能電子的高速增長(zhǎng)是不可或缺的。同時(shí)基于2D材料的MESDs在各個(gè)器件領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成就；最近，基于這種MESDs的集成系統(tǒng)已經(jīng)被證明它們的潛在應(yīng)用范圍。然而，一些關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)仍然需要解決。

針對(duì)最先進(jìn)的MESD性能，2D材料的結(jié)構(gòu)工程為調(diào)整包括電導(dǎo)率、氧化還原電位、晶相結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性在內(nèi)的化學(xué)和物理性能提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。雜原子摻雜、缺陷/空位產(chǎn)生、表面/界面修飾和異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建等方法為進(jìn)一步改善2D材料的物理化學(xué)性質(zhì)提供了巨大的機(jī)遇。眾所周知，2D材料面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)在于，由于其強(qiáng)大的范德華相互作用，它們不可避免地會(huì)聚集在一起。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們可以通過(guò)嵌入異質(zhì)分子來(lái)擴(kuò)大層間空間，以提高存儲(chǔ)能力或增加活性位點(diǎn)。此外，對(duì)于MESDs，直接生長(zhǎng)在交叉型集電器上的垂直取向2D材料有利于實(shí)現(xiàn)低界面電阻和促進(jìn)電荷傳輸。此外，為了獲得更高的比表面積和更好的導(dǎo)電性，將不同材料與2D混合材料復(fù)合是克服每個(gè)部件局限性的可行方法。當(dāng)然，具有極佳電化學(xué)性能的新型2D材料總是非常理想的。例如，具有大比表面積和良好導(dǎo)電性的2D材料，如硅烯、石墨烯、鍺烯、硼苯、碲烯和磷烯，可能是高性能MESDs的潛在候選材料。然而，由于它們?cè)诃h(huán)境條件下化學(xué)降解時(shí)表面固有的不穩(wěn)定性，這些2D材料需要表面功能化或涂層。另一方面，新興的具有堆疊π共軛2D層、可控孔徑和高比表面積的導(dǎo)電MOFs也是能量存儲(chǔ)應(yīng)用中吸引人的電極材料。更重要的是，高質(zhì)量2D材料的可伸縮性和可加工性不僅對(duì)于基礎(chǔ)研究至關(guān)重要，對(duì)于真正的工業(yè)應(yīng)用也至關(guān)重要，這些應(yīng)用需要先進(jìn)的微加工技術(shù)，包括噴墨印刷、3D印刷和絲網(wǎng)印刷等。

為了滿(mǎn)足智能電子設(shè)備的需求，智能響應(yīng)MESDs已經(jīng)成為功能性電源。然而，由于小型化的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的制備過(guò)程，只有有限的工作致力于開(kāi)發(fā)具有智能功能的MESDs，如自愈合、可壓縮性、電致變色和拉伸性。在這方面，重要的是使用與其工作條件和器件結(jié)構(gòu)兼容的功能電解質(zhì)或電極。智能電解質(zhì)的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步考慮各種多響應(yīng)聚合物，如光敏、水溶性、pH敏感、熱響應(yīng)、電響應(yīng)和磁響應(yīng)聚合物。此外，2D活性材料的表面功能化將光線(xiàn)照射到智能電極中，這是因?yàn)榭梢造`活調(diào)節(jié)電導(dǎo)率、表面積以及電解質(zhì)中的離子傳輸。因此，智能材料的探索對(duì)于MESDs微制造技術(shù)的發(fā)展同樣重要。

作為微電源和儲(chǔ)能微器件，基于2D材料的MESDs最終旨在為即用型耗能微電子器件提供動(dòng)力。由于智能集成系統(tǒng)的復(fù)雜制造過(guò)程，迄今為止只有很少的工作得到證實(shí)。因此，涉及能量收集、能量存儲(chǔ)和能量消耗單元的創(chuàng)新的自供電集成系統(tǒng)代表了極具吸引力的研究方向。此外，具有可折疊、可清洗和可生物降解特性的智能集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以為未來(lái)智能、獨(dú)立和連續(xù)運(yùn)行日常電子產(chǎn)品鋪平道路。最后，這些多功能一體自供電系統(tǒng)有望在未來(lái)造福于醫(yī)療保健應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：Two-dimensional materials for miniaturized energy storage devices: from individual devices to smart integrated systems, (Chem. Soc. Rev., 2018, DOI: 10.1039/C8CS00561C).

本文由材料人電子電工學(xué)術(shù)組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。