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      材料沉積噴墨打印及
      涂層系統解決方案

      新聞資訊

      為推動多種溶液法加工及納米材料沉積噴墨打印技術在印刷電子和生物等科學研究及工業領域的應用和發展而不懈努力。

      噴墨打印MXene油墨制備微型超級電容器

      發布時間:2023-04-14
      發布人:

      哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院劉婧媛老師團隊研究了微型超級電容器(MSC)制造中不含添加劑的氮硫共摻雜MXene油墨,并使用MicroFab Jetlab II噴墨打印系統以300μm的電極間距直接制備平面MSC,所制備的MSC具有710 F cm?3的體積電容,在411 mW cm?3功率密度下具有8.9 mWh cm?3的能量密度,長期循環穩定性高達94.6%,遠好于之前報道的噴墨打印制造的MSC。


      介紹

      柔性微型電子和網絡領域最近的發展已經達到了超越簡單實現高性能的地步,通過結合可定制的形狀、靈活性和與微電子的無縫集成來設計先進的微型超級電容器(MSC),噴墨打印是一種具有優異精度的非接觸式打印技術,并且由于完全按需滴落(DOD)的機制,不需要模具進行圖案化,并且能夠無縫集成不同形狀的微型設備,從而提供定制的性能。故噴墨技術廣泛用于柔性電子器件的制備。

      ▲ 圖1 用于噴墨打印MSC的N、S-MXene和有機墨水的制造示意圖。

      MXenes是一系列由碳化物和氮化物(以X表示)組成的2D過渡金屬(M),由于其高的表面體積比和極性溶劑分散性,被視為理想的分散介質。開發具有高抗氧化能力、印刷穩定性、優異的電化學性質和低成本生產工藝的MXene基噴墨打印墨水至關重要。劉婧媛老師團隊研究了無添加劑的Ti3C2Tx MXene與氮和硫(N,S-MXene)油墨共摻雜的油墨,專為噴墨打印而設計。MXene的制備和N,S摻雜工藝以及用于微型超級電容器的N,S-MXene油墨的噴墨打印如圖1所示。

      ▲ 圖2 a)原子力顯微鏡(AFM)圖像和N,S-MXene MSC電極的相應高度分布b) N,S-MXene電極的尺寸分布c) 哈爾濱工程大學印刷徽章,插圖:N,S-MXene墨水。d) 穩定墨滴的頻閃圖像。

      為了展示N,S-MXene噴墨墨水在微型儲能裝置領域的實際應用,使用MicroFab Jetlab II噴墨打印系統以制備平面MSC,如圖2所示,通過AFM測量N,S-MXene微電極的厚度,并計算出25層的厚度約為146nm,哈爾濱工程大學的徽章用N,S-MXene墨水打印在相紙上,展示了Jetlab II噴墨打印設備打印N,S-MXene墨水制作高精度微結構圖案的能力。

      ▲ 圖3 a)與先前報道的MSC相比,在20μa cm?2下測試的N,S-MXene MSC的體積電容;b) 不同測試的N,S-MXene MSC的面積和體積電容;c) N,S-MXene MSC與先前報道的MSC的拉貢圖比較;d)掃描速率為50 mV s?1時不同積分的CV曲線,插圖是并聯的N,S-MXene MSC和串聯的MSC的數字照片;e)在50μa cm?2的電流密度下,不同積分的GCD分布;f)在各種彎曲狀態下測試的CV曲線,(0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 和180°)。

      如圖三所示,所制備的MSC具有710 F cm?3的體積電容,在411 mW cm?3功率密度下具有8.9 mWh cm?3的能量密度,長期循環穩定性高達94.6%,遠好于之前報道的噴墨打印制造的MSC。N,S-MXene MSC的可定制性可以通過將它們以不同形狀串聯和并聯連接所證明(圖3d的插圖),在不同彎曲角度下0°至180°, N,S-MXene MSC的所有CV曲線幾乎相同(圖3f),表明其具有優異的結構穩定性和機械柔韌性。


      結論

      通過研究可知,定制的MSC可以通過簡單的參數調整自動制造,提供高分辨率的形狀多樣的圖案,具有710 F cm?3的優異體積電容,噴墨打印的MSC在411 mW cm?3的功率密度下顯示出8.9 mWh cm?3的超高能量密度,氮和硫原子的摻雜改善了微電極的抗氧化性和反應動力學,導致了長期的循環穩定性,10000次循環后電容保持率為94.6%。先進的噴墨打印為MSC提供了多種可能性,加速了用于下一代儲能設備的噴墨打印墨水的開發,使噴墨打印設備可以在自供電、可穿戴、易于集成和植入式微電子器件的制備中廣泛應用。


      參考文獻:

      [1] Pengcheng Sun, Jingyuan Liu, Qi Liu, Jing Yu, Rongrong Chen, Jiahui Zhu, Gaohui Sun, Ying Li, Peili Liu, Jun Wang. Nitrogen and sulfur co-doped MXene ink without additive for high-performance inkjet-printing micro-supercapacitors[J]. Chemical Engineering Journal, Volume 450, Part 4, 2022.


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