噴墨打印微型超級電容器及自供電集成系統(tǒng)構(gòu)筑的示意圖

中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)與薄膜硅太陽電池研究組研究員劉生忠團(tuán)隊(duì)合作，開發(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)模化制備出高體積容量的微型超級電容器，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)能器件要求具有柔性、長壽命、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)電間歇性的問題。目前，此類集成微系統(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)境友好的墨水仍具挑戰(zhàn)。

近日，科研人員報(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、卓越的打印性及長期穩(wěn)定性，可同時(shí)作為高電容電極、高導(dǎo)電集流體、無金屬連接線和導(dǎo)電粘合劑。噴墨打印的微型超級電容器具有754F/cm3的高體積電容量，5.4V/cm2的高面電壓，60個(gè)串聯(lián)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(dá)36V的電壓。此外，科研人員在柔性襯底上打印微型超級電容器與溫度傳感器，同時(shí)與柔性硅薄膜太陽電池集成，構(gòu)建了全柔性自供電溫度傳感集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對溫度變化的即時(shí)監(jiān)測。該水系MXene雜化墨水為構(gòu)建可打印的自供電微系統(tǒng)開辟了新途徑。

在構(gòu)建柔性微系統(tǒng)研究工作中，吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)此前曾制備出雙功能介孔聚吡咯/石墨烯材料用于自驅(qū)動(dòng)氣體監(jiān)測（Adv. Funct. Mater.，2020）；開發(fā)出多功能MXene油墨應(yīng)用于身體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測（Adv. Mater.，2021）；制備出高電壓鉀離子微型超級電容器用于壓力傳感器（Adv. Energy Mater.，2021）。

相關(guān)研究成果以Aqueous MXene/PH1000 Hybrid Inks for Inkjet-Printing Micro-Supercapacitors with Unprecedented Volumetric Capacitance and Modular Self-Powered Microelectronics為題，發(fā)表在Advanced Energy Materials上。論文第一作者為大連化物所二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組博士研究生馬佳鑫和副研究員鄭雙好。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、遼寧省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)等的支持。