Nano Energy： MXene基微型芯片超級電容器：一種低成本、可擴展的處理-切割-旋涂制造平臺

【背景】

近年來，便攜式電子設備的快速發展，迫切要求芯片式儲能器件，尤其是與硅兼容的芯片式儲能器件向小型化、高性能、高集成方向發展。薄膜電池和微型超級電容器(MSCs)作為最具潛力的候選者，可以為其他電子元件節省空間，減小器件整體尺寸。與薄膜電池相比，MSCs具有更高的充放電速率、功率密度和更長的循環壽命，是芯片式儲能器件的最佳選擇。然而，大多數報道的硅基MSCs仍存在界面連接弱、能量密度低、制造工藝復雜等問題，從而阻礙了其與硅芯片的集成。因此，設計一種低成本、可擴展的硅基MSCs制造方法有著重要的實際意義。

【成果簡介】

近期，西南交通大學的楊維清教授與張海濤教授(共同通訊作者)指導下，博士生黃海超在Nano Energy期刊上發表題為“Scalable, and Low-cost Treating-Cutting-Coating Manufacture Platform for MXene-Based On-chip Micro-supercapacitors”的研究論文。該工作展示了一種可擴展的、低成本的處理-切割-涂層(TCC)制造平臺，用于Ti₃C₂T_x MXene基芯片式MSCs。對硅/二氧化硅(Si/SiO₂)表面進行親水處理，通過氫鍵作用有效增強MXene-Si界面的粘附力。此外，利用紫外冷光切割和旋涂工藝，在以Kapton膠帶作為掩膜的Si/SiO₂基底上快速制備MXene電極。該方法制造的MSCs表現出472 μF cm^-2和21.4 F cm^-3的高面積和體積比電容，在10000次循環后，仍具有超過87.6%的容量保持率。因此，該工作為開發小型化、智能化儲能器件提供了新的思路和策略。

【圖文導讀】

圖1. 芯片式MSCs的制造流程圖

圖2.叉指狀MXene電極的形貌結構

(a) 叉指狀MXene電極的光學顯微鏡照片；

(b) 叉指狀MXene電極的SEM圖片；

(c) 叉指狀MXene電極的截面SEM圖片；

(d) MSC-10的AFM圖片；

(e) MXene薄膜的厚度約為162nm；

(f)表面輪廓顯示出MSC-10表面的均勻性。

圖3. 芯片式微型超級電容器MSC-5到MSC-30的電化學性能

(a) 不同MSCs在10 mV s^-1的CV曲線；

(b) 不同MSCs在0.1 μA cm^-2的GCD曲線；

(c) MSC-30在掃描速率從5 mV s^-1到200 mV s^-1的CV曲線；

(d) 不同MSCs在不同電流密度下的體積比電容；

(e) 不同MSCs在不同電流密度下的面積比電容；

(f) 4種器件的奈奎斯特圖。

圖4. MSCs的集成與功率密度特性

(a) 單個器件、串聯、并聯的器件在10 mV s^-1的CV曲線；

(b) 單個器件、串聯、并聯的器件的GCD曲線；

(c) 芯片式MSCs在電流密度為10 μA cm^-2的循環性能，插圖給出的是循環過程中的GCD曲線；

(d) 芯片式MSCs的拉貢（Ragone）圖譜，通過與rGO-CNT、VN/CNT、PPy、LSG等進行比較，可以看到MXene基芯片式MSCs同時具有較高的能量密度和功率密度，展現出良好的電化學存儲能力；

【結論】

綜上所述，該工作設計了一種利用可擴展的和低成本的TCC工藝在Si/SiO₂晶片上制造的MXene基MSCs。具有超薄MXene膜的芯片式MSCs表現出優異的電化學性能，包括高的面積比電容和體積比電容，高功率和能量密度，以及優異的循環穩定性。該TCC制造平臺為開發基于二維材料的芯片式儲能器件提供了新的平臺，在下一代半導體應用領域具有廣闊的前景。

文獻鏈接

Scalable, and Low-cost Treating-Cutting-Coating Manufacture Platform for MXene-Based On-chip Micro-supercapacitors

西南交通大學楊維清科研團隊信息

西南交通大學納米能源與功能器件研究團隊成立于2014年，由四川省“千人計劃”入選者楊維清教授領銜，依托材料先進技術教育部重點實驗室、西南交通大學分析測試中心等科研平臺，主要從事納米能源材料與微電子集成器件，超級電容器與鋰電池儲能器件，光電子材料與器件等領域的研究。通過近年來的發展，已成為在國內能量儲存研究領域具有一定競爭力的科研團隊，承擔了國家科技攻關課題、省部級科研計劃項目和多項橫向合作項目，取得了多項技術成果和理論成果。該團隊現有教授1人，副教授2人，高級工程師1人，助理研究員1人，博士后2人，在讀博士、碩士研究生近30人。承擔國防創新特區重點研發項目1項，國家自然科學基金面上項目2項，國家自然科學基金青年基金項目1項，四川省“千人計劃”創新人才項目1項，其它省部級重點重大項目6項。

本組自2014年以來發表SCI期刊論文80余篇，包括Advanced Materials（IF=25.809）、ACS Nano （IF= 13.903）、Nano Energy（IF=15.548）、Small, (IF=10.856)等多篇高影響因子論文。公開發明專利30余項，其中已授權14項，實用新型專利6項。現有博士研究生9人，碩士研究生20人，2015-2019年學生累計獲得博士國家獎學金10人次，碩士國家獎學金10人次 ，揚華新秀獎學金4人次，唐立新獎學金2人次，竢實揚華獎章2人次（西南交通大學學生個人最高榮譽），優秀研究生標兵4人次。將博士研究生送到美國佐治亞理工學院、美國加州大學洛杉磯分校、韓國首爾大學等國外知名高校聯合培養5人次，拓寬學生的國際視野。

楊維清課題組主頁：http://userweb.swjtu.edu.cn/Userweb/yangweiqing/paper.htm

本文由材料人編輯luna編譯供稿。

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