2D金属炭化物および窒化物インク（MXenes）スタンピング法を使用したフレキシブル共平面マイクロスーパーキャパシタの製造

寄稿者: He Pei、He Jiankang

マイクロスーパーキャパシタ（MSC）は、バッテリーよりも電力密度が高く、耐用年数が長いため、ナノロボット、マイクロエレクトロメカニカルシステム、分散型センサーネットワークなどのインテリジェントマイクロエレクトロニクスに最適な独立電源です。しかし、これまでに報告されている MSC で、高い比表面積と体積容量の両方を備えたものはほとんどありません。最近、ダブリン大学トリニティ・カレッジの V. ニコロシ教授と彼のチームは、高導電性の新しい親水性 2D 金属炭化物および窒化物インク (MXene) を活性材料として使用し、グラフェンなどの疎水性電気活性材料を使用する際に界面活性剤やポリマーを追加する必要性を回避する、スケーラブルで柔軟な MSC の効率的で低コストの迅速なスタンピング製造戦略を報告しました。著者らはまず、ポリ乳酸材料を使用してさまざまな形状のスタンプを 3D 印刷し、それを 2D チタンカーバイドまたは炭窒化物インク (Ti3C2Tx および Ti3CNTx、MXene として知られる) と組み合わせて、制御可能な構造を持つ柔軟なオール MXene マイクロスーパーキャパシタを製造しました。これにより、新世代のマイクロ電子デバイスに柔軟で効率的、かつ一流の電力システムを提供できます。

図 1 スタンピング戦略を使用したオール MXene ベースの MSC の製造著者らは、所望の構成を持つさまざまなスタンプを設計して 3D プリントを実行し (図 2a、b)、MXene インクを使用して、対応するオール MXene MSC をスタンピングしました (図 2c を参照)。著者らは、走査型電子顕微鏡で紙の上の互いに噛み合った Ti3C2Tx MSC (i-Ti3C2Tx) を調べ、指電極の幅が約 415 μm、ギャップが約 550 μm であることを発見しました (図 2D)。図 3c に示すように、指電極の均一性をさらに改善する必要があることは間違いありません。陰陽やスパイラル形状の Ti3C2Tx MSC 形状などの複雑なパターンと指電極 (それぞれ Y-Ti3C2Tx と S-Ti3C2Tx と表示) も、同じアプローチを使用して製造できます。さらに、図 3h に示すように、紙上のこれらの MSC は柔軟性があり、繰り返し曲げたり放したりしても効果的な導電ネットワーク (抵抗変化 <15%) を維持し、デバイスは 6 か月間空気にさらされた後も安定した状態を維持しました。

図 2 a) 稼働中の 3D プリンターの写真、b) 印刷されたスタンプ、c) さまざまなアーキテクチャでスタンプされた MXene MSCS。紙基板上の (i-)Ti3C2Tx インクの SEM 画像 (d) 低倍率および e) 高倍率。 f) 紙基板上の I-Ti3CNTx インクのトップダウン SEM 画像。 g) PET基板に印刷されたI-Ti3C2Txインク。 h) 紙の上での I-Ti3C2Tx インクの曲げによる抵抗変化。挿入図は、デバイスがさまざまな曲げ状態にあるときの写真です。本論文で製造されたインターデジタル Ti3C2Tx MSC は、より高い面容量を示します。電流密度が 32 倍に増加すると、面容量は 25 μA cm−2 で 61 mF cm−2 になり、電流密度が 32 倍に増加すると、面容量は 50 mF cm−2 に増加します。それだけでなく、Ti3C2Tx MSC は、容量性電荷貯蔵特性、優れたサイクル寿命、高いエネルギー密度、高電力密度なども備えています。このような高性能 Ti3C2Tx MSC の生産は、パッドまたは円筒形のスタンプを設計し、その後冷間圧延プロセスを実行することで簡単に拡大できます。冷間プレスまたは圧延により、数秒以内に高面容量（10 mV s-1で56.8 mV cm-2）を持つ数十個のMSCが製造されました。 MXene の合成をさらに最適化し、MXene フレークの組成、表面化学処理、スタンピング設計を調整することで、より高い面積および体積の静電容量を実現できます。

要約すると、この研究は、3D 印刷技術と粘性 MXene 水性インクを組み合わせることで、高性能で共平面の全 MXene MSC を迅速に作成するための新しいスタンピング戦略を実証し、印刷可能なエネルギー貯蔵デバイスの製造と応用のための有望な開発機会を提供します。

参考文献:
Zhang, CF (John), Kremer, MP, Seral‐Ascaso, A., Park, S.‐H., McEvoy, N., Anasori, B., Gogotsi, Y., Nicolosi, V., Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1705506. https://doi.org/10.1002/adfm.201705506

寄稿者: He Pei、He Jiankang 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

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