由于在宏觀和微觀尺度上易于制造具有可編程幾何形狀的儲能設備，3D 打印正在獲得前景。在此，使用合理設計的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）/ MXene復合凝膠作為墨水，無需繁瑣的過程和有毒的有機添加劑。在可打印油墨中，均勻分布的 MXene 納米片可以提高 PEDOT:PSS 溶液的可打印性，還可以調節 PEDOT:PSS 的互連電子結構，使其經歷膠束到線性結構的轉變。由此產生的 3D 打印微型超級電容器和集成設備可以提供超大的面積電容、卓越的倍率性能、即使在異常變形和低溫下，具有與厚度無關的電容的高循環穩定性。因此，本研究提供了一種簡單而環保的方法來制備用于定制、多尺度和集成能源設備 3D 打印的導電聚合物基油墨。
Fig 1. 用于 MSC 設備的 PME 凝膠復合材料的 3D 打印。a) 3D 打印 PME 凝膠復合油墨和叉指電極的制備示意圖。b) PEDOT:PSS 在 PME 凝膠復合材料中的形態和電子結構轉變。c) PME 凝膠復合材料的凝膠化和電子/離子傳輸增強機制的示意圖。
Fig 2. PME 凝膠復合材料的化學表征和電子結構轉變。a) PEDOT:PSS、MXene、PE 和 PME 的 XRD 圖譜。b-d）分別為 PEDOT:PSS、MXene 和 PME 復合材料的高分辨率 Ti 2p、S 2p 和 O 1s 光譜。e) 凍干 PEDOT:PSS、PE 和 PME 的 ESR 光譜。f) PEDOT:PSS 的電子結構轉變示意圖。
Fig 3. PME 凝膠復合材料的流變特性、微觀結構和電導率。a) PEDOT:PSS、MXene 和 PME 復合材料在 1 Hz 恒定頻率下的應變掃描模式下的儲能模量 ( G ') 和損耗模量 ( G ″)。b) PME 凝膠復合材料在剪切速率掃描測量下的G ′ 和G ″，交替步進剪切速率為 0.1 和 100 s
-1角頻率為 1 Hz。c) 照片顯示了基于 PME 凝膠復合油墨印刷的蝴蝶圖案、叉指電極、負泊松比結構和厚微晶格。d) 顯示基于 PME 凝膠復合油墨在各種基材上印刷圖案的照片。e) 顯示打印的 4 × 4 叉指電極陣列的照片。f) 顯示指狀電極寬度和相鄰電極之間間距的SEM 圖像。g,h) PME3 凝膠復合材料在低倍和高倍放大下的 SEM 圖像。i) PME 復合油墨的電導率 (σ) 和濃度 ( c ) 與文獻中報道的其他可打印油墨的比較。
Fig 4. 印刷的基于 PME 的 MSC 的儲能性能。a) PME3 MSC 在 10 到 200 mV s
-1掃描速率下的 CV 曲線。b) PME3 MSC 在電流密度為 1 至 10 mA cm
-2時的 GCD 曲線。c) PME3 MSC 在不同電流密度下的面電容和體積電容。d) 示意圖和SEM圖像顯示了具有不同印刷層的3D打印PME凝膠復合電極的厚度。e) 在 2 mA cm
-2的電流密度下，具有不同電極厚度的 PME MSC 的面電容。f) 具有不同層的 PME MSC 的奈奎斯特圖。插圖顯示高頻區域。g) PME MSC 在10 mA cm
-2電流密度下的循環性能。插圖顯示第一個和最后五個循環的 GCD 曲線。
Fig 5. PME MSCs 的變形和耐低溫性能。a) 顯示 PME MSCs 在不同彎曲角度下發生彎曲變形的光學圖像。b) PME MSC在不同彎曲度下的CV曲線。c) PME MSC在不同彎曲度下的電容保持率。d) PME MSC 在一系列循環彎曲變形下的電容保持率。e) PME MSC在各種低溫下的CV曲線。f) PME MSC在各種低溫下的比面積電容和電容保持率。g) Z′與頻率平方根的倒數 (ω
−0.5）在不同溫度下 PME MSC 的中頻范圍內。h) PME MSC與其他文獻報道的MSC在面積電容、能量密度、粉末密度、電極厚度、耐溫能力等方面的比較。
Fig 6. PME MSC 集成器件的電化學性能。a) 在 100 mV s
-1下測量的典型 CV 曲線和 b) 在 1 mA cm
-2下測量的四個串聯 MSC 與單個 MSC 相比的 GCD 曲線，(a) 的插圖顯示了四個 MSC 的電路設計系列。c) 在 100 mV s
-1下測量的典型 CV 曲線和 d) 在 1 mA cm
-2下測量的四個并聯 MSC 與單個 MSC 相比的 GCD 曲線，(c) 的插圖顯示了四個 MSC 的電路設計平行線。e) 在 100 mV s
-1下測得的典型 CV 曲線和 f) 在 1 mA cm
-2下測得的 GCD 曲線兩個MSC串聯和兩個MSC同時并聯的集成器件與單個MSC的比較，（e）的插圖顯示了兩個MSC串聯和兩個MSC同時并聯的集成器件的電路設計。g) 照片顯示帶有四個串聯 MSC 點亮 3 個 LED 的印刷集成設備。h) 照片顯示了一個印刷集成設備，有四個串聯的 MSC 為電子時鐘供電，插圖顯示超過 40 分鐘的供電時間。
Fig 7. 微觀結構對電化學性能的貢獻。a) PEDOT:PSS、PE 和 PME 電極在 100 mV s -1掃描速率下的 CV 曲線。b) PEDOT:PSS、PE 和 PME 電極在各種電流密度下的電容。c) PEDOT:PSS、PE 和 PME 電極的奈奎斯特圖。插圖顯示高頻區域。d) 線性擬合顯示了PEDOT:PSS、PE 和 PME 電極在低頻區域的Z′和 ω
-0.5之間的關系。e) 在 10 到 100 mV s
-1的掃描速率下，電容對 PME 電極電荷存儲的貢獻。f) PEDOT:PSS、PE 和 PME 電極在不同掃描速率下的電容貢獻百分比。
相關研究工作由江南大學Tianxi Liu課題組于2023年在線發表在《Advanced Energy Materials》上，原文：Direct-Ink-Write 3D Printing of Programmable Micro-Supercapacitors from MXene-Regulating Conducting Polymer Inks。
轉自《石墨烯研究》公眾號
