工业和信息化部主管

二维材料MXene油墨:可打印微型超级电容

背景

导电油墨已有近十年的历史。未来十年内,它有望快速增长为数亿美元的市场。
导电油墨已用于制造公路收费应答器所用的射频识别标签、便携式电子产品所用的电路板,以及为汽车车窗安装嵌入式无线电天线以及辅助除霜。
但是,为了在技术上有更广泛的应用,导电油墨需要变得更加导电,并且更容易应用于各种表面。
创新
近日,美国德雷塞尔大学(Drexel University)和爱尔兰圣三一学院(Trinity College)的科研人员利用高度导电的二维材料MXene,创造出喷墨打印机所用的油墨。
德雷塞尔大学工程学院材料科学与工程系教授尤里·高果奇(Yury Gogotsi)表示,在德雷塞尔大学纳米材料研究所创造的这种油墨,从上述两个方面来说,都是重大进展。
相关论文发表在《自然通信(Nature Communications)》期刊上。论文表明,这种油墨可用于以任何尺寸和形状打印柔性能量存储元件,例如超级电容。
高果奇表示:“目前为止,在精细分辨率印刷和高电荷存储器件方面,导电油墨只取得了有限的成功。但是,我们的成果表明,通过高级喷墨打印机,所有由 MXene 印刷而成的微型超级电容,与现有的其他导电油墨制成的能量存储器件相比,性能高一个量级。”
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技术
研究人员稳步地搞清楚,当通过更加导电的新材料,例如纳米颗粒银、石墨烯和镓来制造油墨时,挑战在于将这些材料无缝地集成到制造工艺中。据德雷塞尔大学材料科学与工程系助理教授 Babak Anasori 称,这些油墨中的大多数无法用于一步处理工艺。
Anasori 表示:“对于大多数其他的纳米油墨来说,为了把颗粒聚集在一起进行高质量印刷,就需要加入添加剂。因此,在印刷之后,就需要一个额外的步骤(通常是热或者化学处理)来去除那个添加剂。对于 MXene 印刷来说,我们只使用水或有机溶液中的 MXene 来制造油墨。这意味着,无需任何额外的步骤,它就可以变干。 ”
MXene 是一种碳基、二维层状材料,2011年诞生于德雷塞尔大学。它的独特能力在于,能与液体(例如水和其他有机溶液)混合,同时保持导电性。
因此,德雷塞尔大学的研究人员通过各种形式制造并测试了它,从“导电粘土”到“电磁屏蔽所用的涂层”再到“几乎不可见的无线天线”。
调整浓度来创造可用于商用打印机的油墨,只是时间与迭代的问题。油墨中溶剂与 MXene 的浓度可经过调整来适配不同类型的打印机。
Anasori 表示:“如果我们想要大规模利用任何技术,并使之可供公众使用,这项技术必须变得非常简单而且一步完成。喷墨打印机几乎每家都有,所以我们知道如果我们可以制造出合适的油墨,那么任何人都可以制造未来的电子器件。”
MXene 有机油墨的喷墨打印
作为这项研究的一部分,德雷塞尔大学的团队与圣三一学院的研究人员(擅长印刷)合作,用 MXene 油墨测试一系列打印出来的产品,包括一个简单的电路、一个微型超级电容和一些文字,并采用了从纸张到塑料再到玻璃的各种基底。这样做时,他们发现,他们可以印刷厚度一致的线,并使油墨传输的电流能根据厚度而变化。在制造电子元器件的过程中,这两点都很重要。打印出来的产品保持了卓越的导电性能,在所有碳基导电油墨中是最高的,这些油墨包括碳纳米管和石墨烯。
价值
所有这些意味着,一种可制造微型元器件的多功能产品。在我们的电子器件中,它表现出重要但又通常被忽视的功能,例如当电池没电时提供电力、防止破坏性电涌、加速充电过程。提供一种表现得更好的材料,以及一种通过它构造东西的新方法,将不仅可以改善我们现有的器件,也将创造出全新的技术。
Anasori 表示:“与传统制造工艺相比,直接的油墨印刷技术,例如喷墨印刷和挤出印刷,带来了数字和加成的图案化、专用化、材料浪费的减少、可扩展性和快速生产。现在,我们已经制造出了可通过这项技术来应用的 MXene 油墨,我们正在寻找新的机会来使用它。”
 
 

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