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《AM》:丝网印刷多任务MXene墨水构建自供电集成系统!

科技工作者之家 02月02日

来源:高分子科学前沿

物联网、人工智能、医疗监控等电子设备的发展趋势进一步推动了对功能灵敏、耐用、寿命长、兼容性强的微型化柔性电子产品的追求。将微型能量收集器(如太阳能电池、纳米发电机、热电设备)、储能器(如超级电容器和电池)和耗能设备(如传感器)完全集成到单个基板上形成自供电集成微系统,被广泛认为是实现上述目标的最可行途径。该系统可以将周围环境中的光、振动或热转换成电能,电能瞬间储存在内部电源中,随时随地利用。例如,基于石墨烯的微型超级电容器(MSCs)可以存储由太阳能电池转换的电能,然后为发光二极管供电。或者通过纳米发电机充电的聚合物基MSCs可以稳定地驱动压力传感器和气体传感器。然而,这些集成系统大多采用繁琐的制造方法(如光刻、激光切割、蒸发、电沉积),而采用原始的组装技术无法保证良好的兼容性。而丝网印刷、喷墨打印、3D打印等打印技术具有完全可加性、成本效益、高通量和环境友好等优点,在集成电路和定向功能器件(如能量存储、气体检测、健康监测等)方面展现了巨大的潜力。在印刷技术中,丝网印刷可以采用卷对卷的方式,因此可以实现高通量的缩放,但更大的挑战在于多任务墨水的制备。

鉴于此,中国科学院大连化学物理研究所的吴忠帅研究员和陕西师范大学的刘生忠教授报道了一种水系可打印多任务的MXene墨水,它们在单个基底上可作为高电容电极、敏感传感材料、无金属集电体、导电剂和粘合剂来使用。得益于MXene电容性墨水和MXene基电池型墨水的优异流变性,因此可通过丝网印刷将MXene基微超级电容器 (MX-MSCs)和锂离子微电池(MX-LIMBs)在各种基材上构建,包括A4纸、木材、织物、sioxcoated不锈钢等。该研究以题为“Multitasking MXene Inks Enable High-Performance Printable Microelectrochemical Energy Storage Devices for All-Flexible Self-Powered Integrated Systems” 的论文发表在最新一期《Advanced Materials》上。

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文章亮点:

(1)制备的MX-MSC可提供1.1 F cm-2的超高面积电容和13.8μWh cm-2的能量密度,这两者均比大多数报道的MX-MSC高得多。更重要的是,由100个串联的MX-MSC组成的高度集成的MSC组件可以输出60 V的高压,这是迄今为止MX-MSC的最高值。

(2)仅由活性材料和MXene组成的准固态MX-LIMB的面能量密度可达到154μWh cm-2。

(3)充分利用MXene墨水的多任务特性,制备了一种基于MXene的全柔性自供电集成系统,具体组成是在柔性共面基底上将串联薄膜硅太阳能电池(Si-SC)、MX-LIMB和MXene水凝胶压力传感器集成在一起,该系统能够灵敏地监测人体各部分的弯曲,响应速度为35ms。

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来源:Polymer-science 高分子科学前沿

原文链接:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NjM5NzA5OA==&mid=2651772208&idx=6&sn=c1dedee8451d6f569117389bfab0d4e3

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