馮新亮&莊小東Chem. Soc. Rev.：二維材料儲能器件小型化:從單個器件到智能集成系統

【前言】

使用煤炭、石油和天然氣等稀缺化石燃料的能源生產正在世界范圍內造成嚴重的經濟和環境問題。人類迫切需要開發可再生資源，如太陽能、風能、潮汐能和地熱能。然而，由于這些自然資源的間歇性，儲能系統在儲存這些資源產生的電力方面發揮著重要作用。在各種存儲介質中，包括可充電電池(RBs)和超級電容器(SCs)的電化學能量存儲設備廣泛用于便攜式電子設備(例如移動設備、多媒體播放器和個人醫療設備)、介質運輸系統(例如電動車輛和航空航天)和大規模能量存儲系統(例如電網)。

【成果簡介】

如今，人們對便攜式、可植入式和可穿戴式電子設備的日益增長的需求極大地刺激了小型化儲能設備(MESDs)的發展。電化學活性材料和微細加工技術是MESDs中不可缺少的兩個部分。特別是，微電極陣列的結構設計有利于二維(2D)活性材料的獲得。近日，來自德國德累斯頓工業大學的首席教授，上海交通大學特聘教授馮新亮以及上海交通大學的莊小東特別研究員（共同通訊）在Chem. Soc. Rev.上發表文章，題為：Two-dimensional materials for miniaturized energy storage devices: from individual devices to smart integrated systems。作者綜述了基于電化學活性2D材料的微電池和微超級電容器的最新進展。新興的微細加工策略能夠精確控制小型化器件的厚度、均勻性、結構和尺寸，這為實現高能量和功率密度提供了巨大的機會。此外，隨著智能和交互模式的出現，對智能功能和集成系統進行了詳細討論。最后，作者提供了與2D材料、器件制造、智能響應設計和微器件集成相關的未來發展、機遇和緊迫挑戰。

圖1. 微能源存儲系統

圖2.當前綜述內容的示意圖，包括電化學活性2D材料、制造技術、功能響應和智能集成系統

圖3. 基于少層石墨烯的雙離子MB

圖4. 基于Si納米膜的MB和在鋰化/脫鋰氧化還原反應期間Si納米膜電導率的原位探測

圖5. 使用EG薄膜作為微電極的噴墨印刷MSCs

圖6. 具有多孔石墨烯網絡的LIG基MSCs

圖7. 具有兩個PANI-G層和三個EG層的基于交替堆疊的2D結構的面內MSCs

圖8. 面內LIG–FeOOH//LIG–MnO₂ AMSCs

圖9. 基于剝離的TaS₂層的面內MSCs

圖10. 通過激光劃線和電沉積具有高工作電壓的面內混合MSCs

圖11. ?MXene基MSCs的噴涂

圖12. 基于2D共軛聚合物作為微電極制造MSCs的LBL方法

圖13. 基于2D EG/V2O5微電極的智能電致變色MESD

圖14. 能量收集集成系統

【總結】

新興的電化學活性2D材料為高性能、可靠和可升級的MESDs的未來發展打開了一扇新的窗口。本文綜述了MESDs在多種2D材料、微制造方法和設計技術方面的最新成就。二維材料，包括石墨烯、TMOs/TMHs、TMDs、MXenes和二維有機骨架材料，研究人員已經根據它們對MSCs和MBs的電化學性能進行了研究。另一方面，器件制造在技術創新中起著關鍵作用，這反過來又會影響MESDs的復雜性和大規模生產。研究人員還認為，引入智能功能和將微型設備集成到系統中對于促進智能電子的高速增長是不可或缺的。同時基于2D材料的MESDs在各個器件領域已經取得了相當大的成就；最近，基于這種MESDs的集成系統已經被證明它們的潛在應用范圍。然而，一些關鍵的技術挑戰仍然需要解決。

針對最先進的MESD性能，2D材料的結構工程為調整包括電導率、氧化還原電位、晶相結構和化學穩定性在內的化學和物理性能提供了堅實的基礎。雜原子摻雜、缺陷/空位產生、表面/界面修飾和異質結構構建等方法為進一步改善2D材料的物理化學性質提供了巨大的機遇。眾所周知，2D材料面臨的一個巨大挑戰在于，由于其強大的范德華相互作用，它們不可避免地會聚集在一起。為了解決這個問題，人們可以通過嵌入異質分子來擴大層間空間，以提高存儲能力或增加活性位點。此外，對于MESDs，直接生長在交叉型集電器上的垂直取向2D材料有利于實現低界面電阻和促進電荷傳輸。此外，為了獲得更高的比表面積和更好的導電性，將不同材料與2D混合材料復合是克服每個部件局限性的可行方法。當然，具有極佳電化學性能的新型2D材料總是非常理想的。例如，具有大比表面積和良好導電性的2D材料，如硅烯、石墨烯、鍺烯、硼苯、碲烯和磷烯，可能是高性能MESDs的潛在候選材料。然而，由于它們在環境條件下化學降解時表面固有的不穩定性，這些2D材料需要表面功能化或涂層。另一方面，新興的具有堆疊π共軛2D層、可控孔徑和高比表面積的導電MOFs也是能量存儲應用中吸引人的電極材料。更重要的是，高質量2D材料的可伸縮性和可加工性不僅對于基礎研究至關重要，對于真正的工業應用也至關重要，這些應用需要先進的微加工技術，包括噴墨印刷、3D印刷和絲網印刷等。

為了滿足智能電子設備的需求，智能響應MESDs已經成為功能性電源。然而，由于小型化的結構和復雜的制備過程，只有有限的工作致力于開發具有智能功能的MESDs，如自愈合、可壓縮性、電致變色和拉伸性。在這方面，重要的是使用與其工作條件和器件結構兼容的功能電解質或電極。智能電解質的設計可以進一步考慮各種多響應聚合物，如光敏、水溶性、pH敏感、熱響應、電響應和磁響應聚合物。此外，2D活性材料的表面功能化將光線照射到智能電極中，這是因為可以靈活調節電導率、表面積以及電解質中的離子傳輸。因此，智能材料的探索對于MESDs微制造技術的發展同樣重要。

作為微電源和儲能微器件，基于2D材料的MESDs最終旨在為即用型耗能微電子器件提供動力。由于智能集成系統的復雜制造過程，迄今為止只有很少的工作得到證實。因此，涉及能量收集、能量存儲和能量消耗單元的創新的自供電集成系統代表了極具吸引力的研究方向。此外，具有可折疊、可清洗和可生物降解特性的智能集成系統的設計可以為未來智能、獨立和連續運行日常電子產品鋪平道路。最后，這些多功能一體自供電系統有望在未來造福于醫療保健應用。

文獻鏈接：Two-dimensional materials for miniaturized energy storage devices: from individual devices to smart integrated systems, (Chem. Soc. Rev., 2018, DOI: 10.1039/C8CS00561C).

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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