中國科學院大連化物所研制出多功能MXene油墨

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員吳忠帥團隊與研究員劉生忠團隊合作，開發出多功能的水系MXene 絲網印刷油墨，高通量制備出可打印的高比能微型超級電容器和微型鋰離子電池，餅構建出基于MXene的全柔性自供電壓力傳感系統。

物聯網、人工智能和醫療監控等電子設備的發展刺激了人們對功能靈敏、壽命長、兼容性強的微型化與柔性化電子產品的追求。集產能、儲能、用能于一體的自供電系統被認為是一種可行的方法來制造智能電子產品以滿足上述需求。目前，這類集成系統大多采用多種制造方法，如光刻、激光切割、電沉積等，但無法保證良好的兼容性和低成本。絲網印刷技術具有成本效益、高通量和環境友好等優點，在集成電路和功能器件等方面具有應用潛力。然而，開發多功能油墨工作頗具挑戰。MXene是一種新興的二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物，具有獨特的電化學、力學、光學和機械性能，可通過開發多功能MXene油墨實現兼容集成。

圖1 大連化物所研制出多功能MXene油墨應用于微型儲能器件和自供電集成系統

近日，科研人員設計并開發出一種多功能的水系可印刷MXene油墨，可同時作為高電容電極、靈敏的壓力傳感材料、高導電集流體、無金屬連接線和導電粘合劑。研究發現，通過直接絲網印刷水系MXene 油墨，可在各種基板上大規模制備出MXene 基微型超級電容器（MX-MSCs）。所制備的微型超級電容器具有1.1F/cm2 的高面積電容量，通過疊層印刷MXene 油墨，100 個串聯的無金屬集流體和連接線的微型超級電容器可以輸出高達60V 的電壓。研究還發現，印刷鈦酸鋰和磷酸鐵鋰與MXene復合油墨可獲得鋰離子微型電池（MX-LIMBs），具有154μWh/cm2的高面積能量密度。此外，科研人員借助多功能的MXene 油墨實現了柔性太陽能電池、微型超級電容器/鋰離子微型電池、MXene水凝膠壓力傳感器的無縫集成，構建了全柔性自供電壓力傳感集成系統。該集成系統對身體運動響應較為敏感，響應時間僅35毫秒。該多功能MXene油墨為構建可打印的自供電微系統開辟了新途徑。

相關研究成果發表在《先進材料》上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院潔凈能源創新研究院合作基金等的資助。