Gedrukte energieopslagkosten in de toekomst met MXene Inks

Onderzoekers van Boise State University hebben een stabiele, krachtige TI ontwikkeld₃C₂T_X Mxene-inktformulering geoptimaliseerd voor aerosolstraalafdruk-de weg van de schaalbare productie van micro-supercondensatoren, sensoren en andere energieopslag- en oogstapparaten.

Dit werk, onlangs gepubliceerd in Kleine methodenmarkeert een aanzienlijke vooruitgang in de additieve productie van tweedimensionale (2D) materialen voor energieopslagtoepassingen.

Mxenen, een familie van 2D -overgangsmetaalcarbiden, nitriden en carbonitriden, worden gewaardeerd voor hun uitzonderlijke fysische en chemische eigenschappen. MXenen zijn naar voren gekomen als veelbelovende elektrodenmaterialen voor toepassingen voor elektrochemische energieopslag vanwege hun unieke structuur, met een binnenste geleidende overgangsmetaalcarbidelaag, variabele hydrofiele functionele groepen en lamellaire structuur.

Hoewel er veel vooruitgang is geboekt bij de oplossingsverwerking van 2D -materialen, blijft het ontwikkelen van geschikte en afdrukbare functionele inkten uitdagend en vereist zorgvuldige overweging voor gebruik in de fabricage van elektronische apparaten. Mxenen kunnen gemakkelijk worden verspreid in water, maar dergelijke dispersies zijn zeer vatbaar voor oxidatie en zijn meestal binnen enkele dagen bij kamertemperatuur afgebroken. Bovendien vereist elke druktechniek specifieke vloeistof- en reologische eigenschappen.

Daarom is er een gebrek aan stabiele, additieve mxene-inkten die zowel lange houdbaarheid als noodzakelijke reologische en droogkenmerken bieden voor fabricage met hoge resolutie en krachtige apparaten.

Het onderzoeksteam van Boise State heeft belangrijke uitdagingen overwonnen door een MXene-inkt te ontwikkelen met langdurige chemische en fysische stabiliteit, waardoor consistente aerosolstraalprintbaarheid mogelijk is en patronen met hoge resolutie met minimale overspray mogelijk te maken. Met behulp van deze formulering fabriceerde het team met succes microschaal Supercapacitor -apparaten rechtstreeks op flexibele en inflexibele substraten zoals Kapton -film- en aluminiumbuizen.

Deze gedrukte apparaten vertoonden niet alleen uitstekende capaciteit, fietsstabiliteit en mechanische duurzaamheid, maar bereikten ook de best presterende gedrukte MXene-supercondensatoren die tot nu toe zijn gerapporteerd. Deze doorbraak benadrukt het transformerende potentieel van aerosoljet-printen met MXene-inkten voor on-demand, schaalbare en kosteneffectieve productie van elektronische en elektrochemische apparaten van de volgende generatie-inclusief wearables, IoT-sensoren en lichtgewicht energiesystemen.

“Onze inktformulering maakt nauwkeurige afdrukken van complexe structuren mogelijk en blijft meer dan 6 maanden stabiel”, zegt Fereshteh Rajabi Kouchi, hoofdauteur en doctoraatsonderzoeker in de Micron School of Materials Science and Engineering. “Deze vooruitgang opent de deur naar duurzame, roll-to-roll productie van geminiaturiseerde energieapparaten.” Het team demonstreerde ondergecigiteerde elektrode-ontwerpen met resolutie op micronniveau-als gevolg van het unieke vermogen van aerosol jet printing om fijne materiaalstromen te concentreren.

De ontwikkelde MXene-inkt bereikt afdrukken met hoge resolutie (≈45 µm breedtelijnen) met minimale overspray. De aerosol-jet met hoge resolutie gedrukte Mxene SuperCapacitor bereikt een oppervlaktecapaciteit van 122 mf cm^-2 en een volumetrische capaciteit van 611 f cm^-3het plaatsen van ze een van de best presterende geprinte supercondensatoren die tot nu toe zijn gerapporteerd.

Supercondensatoren zijn energieopslagapparaten die de vermogensdichtheid en de energiedichtheid tussen reguliere condensatoren en batterijen overbruggen-cycli van hoog vermogen en snelle ladingontlading. De Supercapacitor -markt breidt zich snel uit, met een verwachte CAGR van 15,3%, naar verwachting $ 8,3 miljard in 2034, aangedreven door de vraag in sectoren zoals automotive, consumentenelektronica en hernieuwbare energie. Gedrukte supercondensatoren winnen aan het grip vanwege hun lichtgewicht, flexibele ontwerpen, waardoor naadloze integratie in wearables en opkomende elektronische toepassingen mogelijk wordt.

“Het werk van Fereshteh weerspiegelt een belangrijke stap in het overbruggen van materiaalchemie en schaalbare apparaatfabricage”, zegt prof. David Estrada, senior auteur van de studie. “Door zowel inktformulering als procesintegratie aan te pakken, heeft ons team het stadium opgelegd voor industriële toepassingen van op MXene gebaseerde energieopslag.”