吴忠帅、刘生忠：制出可打印的微型超级电容器和自供电集成系统

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近日，我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员团队与薄膜硅太阳电池研究组（DNL1606）刘生忠研究员团队合作，开发出一种水系MXene/PH1000杂化墨水，利用喷墨打印技术高精度、规模化制备出高体积容量的微型超级电容器，并构建出平面全柔性自供电温度传感系统。
　　随着数字技术的发展，便携式和可穿戴微型电化学储能器件不仅需要高的电化学性能，还要求具有柔性、长寿命、可定制形状以及与微电子兼容集成等特性。将产能、储能和用能器件集成于一体，构建自供电系统可以解决可再生能源发电间歇性的问题。目前，这类集成微系统大多采用多种制造技术，如光刻、激光切割、电沉积等，不能保证良好的兼容性和低成本。喷墨打印是一种高精度、非接触、无需掩模板的打印技术，被认为是一种可定制化设计智能柔性电子产品有前景的策略。然而，制备性能稳定、可打印、环境友好的墨水仍具有挑战。

　　近日，该合作团队报道了一种水系MXene/PH1000杂化墨水，具有高电导率、可调的粘度、卓越的打印性及长期稳定性，可同时作为高电容电极、高导电集流体、无金属连接线和导电粘合剂。喷墨打印的微型超级电容器具有754F/cm3的高体积电容量，5.4V/cm2的高面电压，60个串联的无金属集流体和连接线的微型超级电容器可以输出高达36V的电压。此外，合作团队还在柔性衬底上打印微型超级电容器与温度传感器，同时与柔性硅薄膜太阳电池集成，构建了全柔性自供电温度传感集成系统，实现了对温度变化的即时监测。该水系MXene杂化墨水为构建可打印的自供电微系统开辟了新的途径。
　　在构建柔性微系统研究工作中，吴忠帅团队此前曾成功制备出双功能介孔聚吡咯/石墨烯材料用于自驱动气体监测（Adv. Funct. Mater.，2020）；开发出多功能MXene油墨应用于身体运动监测（Adv. Mater.，2021）；制备出高电压钾离子微型超级电容器用于压力传感器（Adv. Energy Mater.，2021）。
　　相关研究成果以题为“Aqueous MXene/PH1000 Hybrid Inks for Inkjet-Printing Micro-Supercapacitors with Unprecedented Volumetric Capacitance and Modular Self-Powered Microelectronics”发表在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）上。该工作的第一作者是我所508组2018级博士研究生马佳鑫和郑双好副研究员。上述工作得到国家自然科学基金、中科院洁净能源创新研究院合作基金、辽宁省中央引导地方专项等项目的资助。（文/图 马佳鑫、郑双好）
　　文章链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202100746


      文章来源：大连化物所
      吴忠帅，男，汉族，1981年生于大连庄河。中共党员，博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员。2004年和2007年在辽宁大学化学院分获理学学士和硕士学位；2011年在中科院金属研究所获工学博士学位，师从成会明院士和任文才研究员；2011年7月至2015年6月在德国马普高分子研究所从事博士后研究工作，合作导师著名化学家Klaus Müllen教授和冯新亮教授。2015年6月至今，中科院大连化学物理研究所工作，被聘为研究员、 “二维材料与能源器件（DNL21T3）”研究组组长。
      刘生忠，中国科学院大连化学物理研究所研究员。刘生忠教授1992年在美国西北大学获博士学位。先后在美国阿贡国家实验室、英国BP Solar公司、美国United Solar公司等从事研究工作。现全职回国工作，任大连化学物理研究所研究员和陕西师范大学教授。研究领域包括纳米材料、薄膜材料、太阳能光伏材料、电光薄膜的电化学沉积和光伏技术的开发、放大和生产。多项研究成果发表在《Science》、《Nature》和《Angew. Chem.》等刊物上，现已经申请专利的、在美国专利局网站可查到的发明文献有六十余项。刘教授的研究技术多项指标处于世界领先水平，其中“透明太阳能薄膜电池”被称为是“世界最佳发明奖”（R&D 100奖）。