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2 Energy Storage Materials 用于微型超級電容器和微型電池的 2D MXene 的近期現狀和未來展望.pdf

研究速覽

■?近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組吳忠?guī)浹芯繂T團隊在Energy Storage Materials上發(fā)表綜述文章，系統(tǒng)總結了MXene基微型電化學儲能器件的研究現狀及發(fā)展前景。二維MXene材料在微型超級電容器和微型電池等微型儲能器件（MESD）領域具有巨大的潛力，在可穿戴和微型化電子產品中具有廣闊的應用前景。到目前為止，各種微加工技術已經被應用于MXene基MESD微電極的構建。在此，作者對MXene基MESD微電極的設計和微加工工藝的最新進展進行了全面的總結。并系統(tǒng)地概述了這些微細加工技術的優(yōu)缺點，包括傳統(tǒng)的掩膜輔助真空過濾和噴涂印刷方法，自動化激光或離子束圖案化刻蝕等技術，高度可擴展的印刷技術和獨特的纖維紡絲方法。為了促進MXene基MESD的進一步發(fā)展，作者指出了相關的技術挑戰(zhàn)，并討論了未來的發(fā)展前景。

Part1

▉? 研究摘要? ▉

■?為了實現以可集成、可穿戴和多功能微電子為標志的“萬物互聯”的愿景，“智能”電子產品的出現使得微型超級電容器（MSCs）和微型電池（MBs）等兼容的微型電化學儲能設備（MESD）的蓬勃發(fā)展成為必要。它們在微尺度無線傳感器、微/納米機器人、自供電系統(tǒng)、植入式醫(yī)療傳感器、患者跟蹤和定位方面的應用得到了密集的推廣。

■?電極材料作為MESD的關鍵部件，對MESD的整體性能起著舉足輕重的作用。因此，開發(fā)高電導率、大容量的新型高性能電極材料勢在必行。自2011年發(fā)現MXene以來，MXene作為一類新興的二維層狀過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物，由于其獨特的優(yōu)勢，如高導電性、快速電子傳輸和離子擴散、優(yōu)異的親水性、高機械性能、層間間距可調、形貌和厚度可控等，將成為一種非常有前景的微電極材料。

■?構建小型化功能系統(tǒng)時，MESD模塊與微電極材料之間的兼容制造和匹配是有效集成的關鍵。因此，在加工MXene基微電極時，微加工工藝是構建高性能MXene基MESD需要考慮的關鍵問題。到目前為止，MXene基微電極的制造加工已經開展了廣泛的研究，對這一高度活躍的研究領域有必要及時全面地回顧二維MXene在MESD的最新研究成果。并系統(tǒng)地介紹各種相關的制備技術和工藝。

圖1.MXene基MSCs和MBs的主要微加工技術

圖2.MXene基MESD的發(fā)展方向

Part2

▉? 研究總結? ▉

■本綜述全面總結了MXene基MSCs和MBs的關鍵微細加工技術和電化學性能。主要關注與MXene微電極和器件構置有關的技術，有利于提高MESDs的制造效率、可擴展性、適用性、安全性、環(huán)境友好性、功率/能量密度和循環(huán)壽命等。盡管MXene基MESD取得了很大進展，但仍面臨著若干挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇。

（1）需要進一步提升MXene基MESD高能量密度和功率密度。對MXene微電極材料固有特性進行改性將是提升性能的一個重要方向。

（2）圖案化微電極的微細加工技術也是實現高性能MXene基MESDs的關鍵。智能數字化的微細加工技術在大規(guī)模制備MESD方面具有光明的前景。

（3）電解液在MXene基MSCs的性能改進中起著至關重要的作用。未來有必要開發(fā)高安全性、高離子導電性、高穩(wěn)定性、寬工作電壓窗口和寬溫度區(qū)間的新型電解液。

（4）MXene基MESD的基本電荷存儲機理還不清晰明確，需要進一步深入研究。

（5）結合MXene的優(yōu)勢，開發(fā)出適合不同應用場景的高性能、多功能和數字化的MESD將是很有前途的方向。

這篇綜述將從材料設計和微制造技術到微器件構建和相應應用提供一個全面的視角，這將極大地促進MXene基MESDs的發(fā)展。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.06.044

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