印刷和涂布MXene油墨用于电化学储能器件
发布时间：2021-10-22 18:27
人们对电子设备的不断增长的需求促使行业亟需开发新型、低成本和高产量的制造方法。油墨印刷和涂布是一种很有潜力的技术,可规模化制备微型电子器件。然而,功能性油墨的缺乏使得柔性电子的规模化印刷打印受到极大的制约。MXenes,作为一种新型二维材料,由于其出色的化学、电气、光学和机械性能,迅速受到了研究者的极大关注。其丰富的官能团,表面电荷、本征亲水特性使得高浓度的MXene油墨具有优异的胶体稳定性,因此,MXene成为功能性油墨配方的最佳选择。在MXene所报道的电子器件应用中,电化学储能器件是研究最为热门的领域。为此,简要介绍了MXenes及其合成方法之后,讨论了油墨的配方策略,并回顾了一些基于MXenes印刷和涂布构筑高性能电化学储能器件方面的最新工作。为后续MXene用于规模化电化学储能器件的制造提供思路。
【文章来源】：陶瓷学报. 2020,41(06)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
MXene不同的原子结构(a)[13]，组成MXene的化学元素分布(b)[12]，关于MXene刻蚀和剥离(c)[14]
与低浓度油墨相比，高浓度油墨在印刷同等厚度的功能化器件中所需的时间更少，或者说每次印刷上的油墨更多，从而更加高效的批量化制备EESDs。理想的油墨应该同时具备高浓度(C)和高电导率(σ)[48]。为此，提出了品质因子Fo M=σC(S·cm-1·mg·m L-1）来评价所获得墨汁的电导和浓度。品质因子越高，意味着该导电油墨越适合批量化印刷微电子器件。例如，Zhang等人配制的Ti3C2 MXene水系墨汁(浓度～36 mg·m L-1，表观粘度～0.71 Pa·s)(图3(a))具有超高的Fo M(66996S·cm-1·mg m L-1)[48]，比文献报道中最佳的石墨烯油墨(6000 S·cm-1·mg·m L-1)的Fo M值高出11倍[49](图3(b))，所挤出打印的MXene微型超级电容亦展示了高达0.32μWh·cm-2的能量密度和158μW·cm-2的高功率密度(图3(c))。Zhang等人还开发了另外两种具有类似流变特性的水性油墨(Ti3C2和Ti3CN)，用于批量化制备微型超级电容的盖章辊压技术(图3(d))，从而实现了微型器件的个性化设计[50]。实际上，由于其巨大的产量，这两种技术印刷打印和盖章辊压技术，对批量化印刷MXene油墨以制备EESDs都颇具吸引力。为了进一步提高面功率和能量密度，需要进一步提升悬浮液浓度，得到具有更高固体含量(>20wt.%)的MXene导电油墨。这种高度粘稠的油墨非常适合于丝网印刷和3D打印技术。最近，由Zhang及其同事基于废弃的MXene沉淀，通过添加少量的d-MXene(约2%)，利用剥离的MXene纳米片对未剥离完全的MXene层状晶体和未反应完全的MAX晶体进行有效的氢键和范德华力结合，从而形成了一种新型的Ti3C2水系稳定粘稠油墨，且其固体含量高达22wt.%。借助丝网印刷技术便可实现微型超级电容的大规模印刷(图3(e-g))，并且所得的MSCs的面电容和能量密度非常高(分别为158 m F·cm-2和1.64μWh·cm-2)[14]。实际上，层状晶体的低剥离程度意味着可以在不大幅度增加粘度的情况下提高固体含量[17]，这便为制备高固含量油墨提升了思路。换句话讲，二维材料的剥离产率低导致的废弃MXene沉淀，可以借助添加极少量的剥离MXene，实现变废为宝，得到高固含量的导电油墨(图3(h))，因此可大幅降低器件的制造成本，批量化得到微型储能器件和其它微电子器件(图3(g))。
为了进一步提高面功率和能量密度，需要进一步提升悬浮液浓度，得到具有更高固体含量(>20wt.%)的MXene导电油墨。这种高度粘稠的油墨非常适合于丝网印刷和3D打印技术。最近，由Zhang及其同事基于废弃的MXene沉淀，通过添加少量的d-MXene(约2%)，利用剥离的MXene纳米片对未剥离完全的MXene层状晶体和未反应完全的MAX晶体进行有效的氢键和范德华力结合，从而形成了一种新型的Ti3C2水系稳定粘稠油墨，且其固体含量高达22wt.%。借助丝网印刷技术便可实现微型超级电容的大规模印刷(图3(e-g))，并且所得的MSCs的面电容和能量密度非常高(分别为158 m F·cm-2和1.64μWh·cm-2)[14]。实际上，层状晶体的低剥离程度意味着可以在不大幅度增加粘度的情况下提高固体含量[17]，这便为制备高固含量油墨提升了思路。换句话讲，二维材料的剥离产率低导致的废弃MXene沉淀，可以借助添加极少量的剥离MXene，实现变废为宝，得到高固含量的导电油墨(图3(h))，因此可大幅降低器件的制造成本，批量化得到微型储能器件和其它微电子器件(图3(g))。由于MXene纳米片具有强的静电排斥作用，传统的提高胶体悬浮液浓度的技术(如离心法)并不适用。高温蒸发会导致MXene氧化，因此亦不可取。Beidaghi等人另辟蹊径，用超吸水性聚乙二醇颗粒去除合成的MXene悬浮液中多余的水分，并将浓度从10 mg·m L-1提高到290 mg·m L-1，从而得到了可3D打印的油墨。该油墨表现出剪切变稀的行为，并具有一定的最小屈服应力(取决于打印机)。事实上，只有精确调整配方油墨的粘弹性，才能确保打印结构中的形状保持和层间附着力。而存储模量与损耗模量之比(G"/G"")可当做是评估油墨的3D可打印性的一个有用的标准，其理想值区域为2<G"/G""<20(图3(h))。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Two-Dimensional Transition Metal Carbides and Nitrides（MXenes）: Synthesis, Properties, and Electrochemical Energy Storage Applications[J]. Chuanfang （John） Zhang,Yonglu Ma,Xuetao Zhang,Sina Abdolhosseinzadeh,Hongwei Sheng,Wei Lan,Amir Pakdel,Jakob Heier,Frank Nüesch. 能源与环境材料(英文). 2020(01)
本文编号：3451638
【文章来源】：陶瓷学报. 2020,41(06)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
MXene不同的原子结构(a)[13]，组成MXene的化学元素分布(b)[12]，关于MXene刻蚀和剥离(c)[14]
与低浓度油墨相比，高浓度油墨在印刷同等厚度的功能化器件中所需的时间更少，或者说每次印刷上的油墨更多，从而更加高效的批量化制备EESDs。理想的油墨应该同时具备高浓度(C)和高电导率(σ)[48]。为此，提出了品质因子Fo M=σC(S·cm-1·mg·m L-1）来评价所获得墨汁的电导和浓度。品质因子越高，意味着该导电油墨越适合批量化印刷微电子器件。例如，Zhang等人配制的Ti3C2 MXene水系墨汁(浓度～36 mg·m L-1，表观粘度～0.71 Pa·s)(图3(a))具有超高的Fo M(66996S·cm-1·mg m L-1)[48]，比文献报道中最佳的石墨烯油墨(6000 S·cm-1·mg·m L-1)的Fo M值高出11倍[49](图3(b))，所挤出打印的MXene微型超级电容亦展示了高达0.32μWh·cm-2的能量密度和158μW·cm-2的高功率密度(图3(c))。Zhang等人还开发了另外两种具有类似流变特性的水性油墨(Ti3C2和Ti3CN)，用于批量化制备微型超级电容的盖章辊压技术(图3(d))，从而实现了微型器件的个性化设计[50]。实际上，由于其巨大的产量，这两种技术印刷打印和盖章辊压技术，对批量化印刷MXene油墨以制备EESDs都颇具吸引力。为了进一步提高面功率和能量密度，需要进一步提升悬浮液浓度，得到具有更高固体含量(>20wt.%)的MXene导电油墨。这种高度粘稠的油墨非常适合于丝网印刷和3D打印技术。最近，由Zhang及其同事基于废弃的MXene沉淀，通过添加少量的d-MXene(约2%)，利用剥离的MXene纳米片对未剥离完全的MXene层状晶体和未反应完全的MAX晶体进行有效的氢键和范德华力结合，从而形成了一种新型的Ti3C2水系稳定粘稠油墨，且其固体含量高达22wt.%。借助丝网印刷技术便可实现微型超级电容的大规模印刷(图3(e-g))，并且所得的MSCs的面电容和能量密度非常高(分别为158 m F·cm-2和1.64μWh·cm-2)[14]。实际上，层状晶体的低剥离程度意味着可以在不大幅度增加粘度的情况下提高固体含量[17]，这便为制备高固含量油墨提升了思路。换句话讲，二维材料的剥离产率低导致的废弃MXene沉淀，可以借助添加极少量的剥离MXene，实现变废为宝，得到高固含量的导电油墨(图3(h))，因此可大幅降低器件的制造成本，批量化得到微型储能器件和其它微电子器件(图3(g))。
为了进一步提高面功率和能量密度，需要进一步提升悬浮液浓度，得到具有更高固体含量(>20wt.%)的MXene导电油墨。这种高度粘稠的油墨非常适合于丝网印刷和3D打印技术。最近，由Zhang及其同事基于废弃的MXene沉淀，通过添加少量的d-MXene(约2%)，利用剥离的MXene纳米片对未剥离完全的MXene层状晶体和未反应完全的MAX晶体进行有效的氢键和范德华力结合，从而形成了一种新型的Ti3C2水系稳定粘稠油墨，且其固体含量高达22wt.%。借助丝网印刷技术便可实现微型超级电容的大规模印刷(图3(e-g))，并且所得的MSCs的面电容和能量密度非常高(分别为158 m F·cm-2和1.64μWh·cm-2)[14]。实际上，层状晶体的低剥离程度意味着可以在不大幅度增加粘度的情况下提高固体含量[17]，这便为制备高固含量油墨提升了思路。换句话讲，二维材料的剥离产率低导致的废弃MXene沉淀，可以借助添加极少量的剥离MXene，实现变废为宝，得到高固含量的导电油墨(图3(h))，因此可大幅降低器件的制造成本，批量化得到微型储能器件和其它微电子器件(图3(g))。由于MXene纳米片具有强的静电排斥作用，传统的提高胶体悬浮液浓度的技术(如离心法)并不适用。高温蒸发会导致MXene氧化，因此亦不可取。Beidaghi等人另辟蹊径，用超吸水性聚乙二醇颗粒去除合成的MXene悬浮液中多余的水分，并将浓度从10 mg·m L-1提高到290 mg·m L-1，从而得到了可3D打印的油墨。该油墨表现出剪切变稀的行为，并具有一定的最小屈服应力(取决于打印机)。事实上，只有精确调整配方油墨的粘弹性，才能确保打印结构中的形状保持和层间附着力。而存储模量与损耗模量之比(G"/G"")可当做是评估油墨的3D可打印性的一个有用的标准，其理想值区域为2<G"/G""<20(图3(h))。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Two-Dimensional Transition Metal Carbides and Nitrides（MXenes）: Synthesis, Properties, and Electrochemical Energy Storage Applications[J]. Chuanfang （John） Zhang,Yonglu Ma,Xuetao Zhang,Sina Abdolhosseinzadeh,Hongwei Sheng,Wei Lan,Amir Pakdel,Jakob Heier,Frank Nüesch. 能源与环境材料(英文). 2020(01)
本文编号：3451638
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