紙上微型超級(jí)電容器的案例
在紙上一次性高速噴墨打印微電容器
紙上微型超級(jí)電容器
《AEM》馬里蘭大學(xué)：金屬離子誘導(dǎo) MXene 氣凝膠組裝，用于電磁干擾屏蔽、電容去離子和微型超級(jí)電容器
通過(guò)刮刀技術(shù)和冷凍干燥，Mg
2+
-MXene 氣凝膠具有定制的形狀/尺寸，具有高表面積 (140.5 m2 g
-1
)、優(yōu)異的導(dǎo)電性 (758.4 S m
-1
) 和在水中的高穩(wěn)定性.高導(dǎo)電性 MXene 氣凝膠展示了其從宏觀技術(shù)（例如，電磁干擾屏蔽和電容去離子（CDI））到片上電子（例如，準(zhǔn)固態(tài)微型超級(jí)電容器（QMSC））的多種應(yīng)用。作為 CDI 電極，
Mg
2+
-MXene 氣凝膠表現(xiàn)出高鹽吸附能力（33.3 mg g
-1
）和長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性（超過(guò) 30 次循環(huán)）
，與文獻(xiàn)進(jìn)行了極好的比較。此外，與其他最先進(jìn)的 QMSCs 相比，具有交叉 Mg
2+
-MXene 氣凝膠電極的 QMSCs 表現(xiàn)出高面積電容 (409.3 mF cm
-2
)，具有優(yōu)異的功率密度和能量密度。
相關(guān)論文以題為
Metal Ion-Induced Assembly of MXene Aerogels via Biomimetic Microtextures for Electromagnetic Interference Shielding, Capacitive Deionization, and Microsupercapacitors
發(fā)表在《
A
dvanced Energy Materials
》上。
【主圖導(dǎo)讀】
圖1
受
Phrynosomacornutum 啟發(fā)的 MXene 微紋理具有高水傳輸速度和卓越的儲(chǔ)水能力。
圖2
用于可擴(kuò)展制造無(wú)粘合劑
MXene 氣凝膠的仿生 MXene 組裝平臺(tái)。
展開(kāi) 南開(kāi)大學(xué)牛志強(qiáng)團(tuán)隊(duì)Nano Energy：可拉伸微型超級(jí)電容器
【引言】
近年，許多研究人員致力于設(shè)計(jì)具有交流線路濾波功能的平面微型超級(jí)電容器。例如，通過(guò)簡(jiǎn)單的疊層方法制備了基于柑橘藍(lán)橋聯(lián)配位聚合體框架(PiCBA)的平面微型超級(jí)電容器，該微型超級(jí)電容器表現(xiàn)出優(yōu)異的交流線路過(guò)濾性能。目前，各種便攜式電子設(shè)備正朝柔性、可拉伸、可穿戴、小型化方向發(fā)展，已有研究制備了塑料基底的交流線路過(guò)濾柔性微型超級(jí)電容器。然而，由于需耐受更大的張力，微型電容器彈性的實(shí)現(xiàn)相比柔性更具有挑戰(zhàn)性；另一方面，電極材料和器件結(jié)構(gòu)的高要求也導(dǎo)致了交流線路過(guò)濾可拉伸微型超級(jí)電容器的制備是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，南開(kāi)大學(xué)的牛志強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在Nano Energy上發(fā)表最新研究成果 “Highly Stretchable Integrated System for Micro-supercapacitor with AC Line Filtering and UV Detector”。在該文中，研究者基于SWCNT膜設(shè)計(jì)了褶皺微型電極并組裝制備了可高度拉伸的微型超級(jí)電容器。該類微型超級(jí)電容器獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予其高頻快速響應(yīng)性能，因而此微型超級(jí)電容器可用作交流線路濾波器件，在拉伸至200%時(shí)仍舊能夠保持穩(wěn)定的交流線路濾波性能。除此之外，基于SWCNT膜與TiO2納米顆粒制備了可高度拉伸的微型超級(jí)電容器，TiO2納米顆粒在褶皺SWCNT微電極上的負(fù)載使得微型超級(jí)電容器具有紫外光電探測(cè)的能力，其靈敏度高達(dá)6.2。此高度可拉伸的超級(jí)電容器在不同拉伸時(shí)間甚至重復(fù)拉伸100次仍可保持穩(wěn)定的光電探測(cè)性能和比電容性能。此類集交流線路濾波與光電探測(cè)性能于一身的高度可拉伸微型超級(jí)電容器的制備與設(shè)計(jì)推動(dòng)了超級(jí)電容器與其他電子器件的集成和組裝的發(fā)展。
展開(kāi) 安徽大學(xué)《ESM》：微型鋅離子超級(jí)電容器領(lǐng)域取得重要進(jìn)展！
近日，安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院吳明在教授和胡海波教授在可拉伸柔性微型鋅離子超級(jí)電容器領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。此項(xiàng)研究工作展示了一種簡(jiǎn)單有效的策略,促進(jìn)了高性能離子超級(jí)電容器的發(fā)展。相關(guān)研究成果以“Synchronously manipulating Zn2+ transfer and hydrogen/oxygen evolution kinetics in MXene host electrodes toward symmetric Zn-ions micro-supercapacitor with enhanced areal energy density”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Energy Storage Materials》上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.047
二價(jià)電荷的離子(如Zn2+)由于尺寸更大、庫(kù)侖相互作用更強(qiáng)，在MXene電極內(nèi)擴(kuò)散遲緩，這是開(kāi)發(fā)更高能量密度的MXene基微型超級(jí)電容器(MSCs)的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。
基于此，吳明在教授和胡海波教授合作設(shè)計(jì)并制備了MXene/細(xì)菌纖維素纖維復(fù)合薄膜，有效地拓寬了MXene片之間的離子傳輸通道，降低Zn2+在電極內(nèi)的擴(kuò)散屏障。同時(shí)，結(jié)合“反催化策略”抑制電極內(nèi)HER/OER反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，將工作電壓提高到1.2 V，極大地提高了面積能量密度。此外，基于液態(tài)金屬電路，開(kāi)發(fā)了一種可拉伸ZMSCs陣列，實(shí)現(xiàn)電壓和能量可控輸出，同時(shí)實(shí)驗(yàn)表征和理論計(jì)算相互驗(yàn)證，有力證明了可拉伸ZMSCA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和有效性。
展開(kāi) 
西南交大楊維清/張海濤，UCLA陳?。嚎諝夥€(wěn)定的導(dǎo)電聚合物油墨，打印可穿戴微型超級(jí)電容器
最近，為了克服聚苯胺的弱親水性，
西南交通大學(xué)
楊維清教授
/
張海濤副教授
，和加州大學(xué)洛杉磯分校
陳俊助理教授
團(tuán)隊(duì)
通過(guò)一種簡(jiǎn)便的組裝分散策略設(shè)計(jì)出了一種低成本，易于制造且空氣穩(wěn)定的
導(dǎo)電聚合物（
CP）墨水，該策略可提供約10
?
2
S cm的高電導(dǎo)率以及在0.5 A g
-1
（脫水狀態(tài)）下具有顯著的386.9 F g
-1
的比電容。
不含添加劑的CP墨水通過(guò)噴涂方法直接用于
打印
可穿戴式微型超級(jí)電容器（MSC），可提供較高的面電容（96.6 mF cm
-2
）和體積電
容（
26.0 F cm
-3
），
性能優(yōu)于大多數(shù)最先進(jìn)的基于CP的超級(jí)電容器。這項(xiàng)工作為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的MSC提供了一種新方法，從而為下一代分布式電子產(chǎn)品提供了一種經(jīng)濟(jì)高效，環(huán)保且普及的能源解決方案。
相關(guān)論文以題為
Air-Stable Conductive Polymer Ink for Printed Wearable Micro-Supercapacitors
發(fā)表在《
Small
》上。
【科研摘要】
圖1
用于打印的可穿戴
MSC的空氣穩(wěn)定型導(dǎo)電聚合物油墨。
圖2
CP油墨的特性和性能。
圖3
基于
CP墨水的MSC的電化學(xué)性能。
圖4
集成
MSCs電路的電化學(xué)性能。
【總結(jié)】
團(tuán)隊(duì)提出了一種組裝分散策略，用于可擴(kuò)展制造的空氣穩(wěn)定的低成本導(dǎo)電聚合物油墨，以打印可穿戴式
MSC。
展開(kāi) ：在無(wú)線充電微型超級(jí)電容器方面取得進(jìn)展
這主要是由于石墨紙(GP)具有低電阻、高電導(dǎo)率、出色的耐腐蝕性、低產(chǎn)熱量以及較高的工作電壓的優(yōu)點(diǎn)，即使在密封環(huán)境中，與金屬基線圈（如銅線圈）相比，石墨線圈作為IWC-MSC中的一個(gè)電極在電解質(zhì)中工作時(shí)也更穩(wěn)定。因此，研究者選擇將石墨作為無(wú)線充電線圈和MSC電極一體化器件的制備原料。
這種設(shè)計(jì)模式使該一體化器件在磁場(chǎng)中既具有無(wú)線充電能力，又有效縮短了不同的組件的連接距離，降低了整個(gè)器件的電阻。此外，平面型一體化器件有良好的柔韌性，可在90度彎曲狀態(tài)下保持良好的電化學(xué)性能，且其厚度遠(yuǎn)低于商業(yè)薄膜電容器。
圖3.一體化器件中MSC的優(yōu)化過(guò)程及優(yōu)化后的電化學(xué)性能。
通過(guò)對(duì)該一體化器件中微型超級(jí)電容器和無(wú)線充電線圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，該工作得到了能量密度最大為463.1 μWh cm-2的微型超級(jí)電容器，該能量密度高于混合微型超級(jí)電容器在內(nèi)的所有平面型微型超級(jí)電容器甚至是商用薄膜電池(350 μWh cm-2)。
研究者認(rèn)為MSC具有高能量密度和高電容值的主要原因有以下幾點(diǎn)：1.離子液體電解質(zhì)的寬電壓窗口大大提高了電容器的能量密度；2. 電解液離子與電極之間的靜電相互作用使電容器的儲(chǔ)能作用大大提高，并且小部分的[EMIM]+離子在2.2 V的電壓下插入到石墨層間，提供了額外的贗電容，同樣增加了電容器的容量；3. 活性炭具有的高比表面積是高能量密度的關(guān)鍵。此外，活性炭和石墨在兩個(gè)電極上的等量組合是混合器件最佳高性能比例。
圖4.無(wú)線充電系統(tǒng)的電路圖及工作原理。
展開(kāi) 大連化物所吳忠?guī)浹芯繂T團(tuán)隊(duì)與劉生忠研究員團(tuán)隊(duì)合作AEM：研制出可打印的微型超級(jí)電容器和自供電集成系統(tǒng)
近日，中科院大連化物所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組（508組）吳忠?guī)浹芯繂T團(tuán)隊(duì)與薄膜硅太陽(yáng)電池研究組（DNL1606）劉生忠研究員團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)發(fā)出一種水系MXene/PH1000雜化墨水，利用噴墨打印技術(shù)高精度、規(guī)?；苽涑龈唧w積容量的微型超級(jí)電容器，并構(gòu)建出平面全柔性自供電溫度傳感系統(tǒng)。
隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，便攜式和可穿戴微型電化學(xué)儲(chǔ)能器件不僅需要高的電化學(xué)性能，還要求具有柔性、長(zhǎng)壽命、可定制形狀以及與微電子兼容集成等特性。將產(chǎn)能、儲(chǔ)能和用能器件集成于一體，構(gòu)建自供電系統(tǒng)可以解決可再生能源發(fā)電間歇性的問(wèn)題。目前，這類集成微系統(tǒng)大多采用多種制造技術(shù)，如光刻、激光切割、電沉積等，不能保證良好的兼容性和低成本。噴墨打印是一種高精度、非接觸、無(wú)需掩模板的打印技術(shù)，被認(rèn)為是一種可定制化設(shè)計(jì)智能柔性電子產(chǎn)品有前景的策略。然而，制備性能穩(wěn)定、可打印、環(huán)境友好的墨水仍具有挑戰(zhàn)。
近日，該合作團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種水系MXene/PH1000雜化墨水，具有高電導(dǎo)率、可調(diào)的粘度、卓越的打印性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可同時(shí)作為高電容電極、高導(dǎo)電集流體、無(wú)金屬連接線和導(dǎo)電粘合劑。噴墨打印的微型超級(jí)電容器具有754 F/cm3的高體積電容量，5.4 V/cm2的高面電壓，60個(gè)串聯(lián)的無(wú)金屬集流體和連接線的微型超級(jí)電容器可以輸出高達(dá)36 V的電壓。此外，合作團(tuán)隊(duì)還在柔性襯底上打印微型超級(jí)電容器與溫度傳感器，同時(shí)與柔性硅薄膜太陽(yáng)電池集成，構(gòu)建了全柔性自供電溫度傳感集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度變化的即時(shí)監(jiān)測(cè)。該水系MXene雜化墨水為構(gòu)建可打印的自供電微系統(tǒng)開(kāi)辟了新的途徑。
展開(kāi) 