Nano Energy： MXene基微型芯片超级电容器：一种低成本、可扩展的处理-切割-旋涂制造平台

【背景】

近年来，便携式电子设备的快速发展，迫切要求芯片式储能器件，尤其是与硅兼容的芯片式储能器件向小型化、高性能、高集成方向发展。薄膜电池和微型超级电容器(MSCs)作为最具潜力的候选者，可以为其他电子元件节省空间，减小器件整体尺寸。与薄膜电池相比，MSCs具有更高的充放电速率、功率密度和更长的循环寿命，是芯片式储能器件的最佳选择。然而，大多数报道的硅基MSCs仍存在界面连接弱、能量密度低、制造工艺复杂等问题，从而阻碍了其与硅芯片的集成。因此，设计一种低成本、可扩展的硅基MSCs制造方法有着重要的实际意义。

【成果简介】

近期，西南交通大学的杨维清教授与张海涛教授(共同通讯作者)指导下，博士生黄海超在Nano Energy期刊上发表题为“Scalable, and Low-cost Treating-Cutting-Coating Manufacture Platform for MXene-Based On-chip Micro-supercapacitors”的研究论文。该工作展示了一种可扩展的、低成本的处理-切割-涂层(TCC)制造平台，用于Ti₃C₂T_xMXene基芯片式MSCs。对硅/二氧化硅(Si/SiO₂)表面进行亲水处理，通过氢键作用有效增强MXene-Si界面的粘附力。此外，利用紫外冷光切割和旋涂工艺，在以Kapton胶带作为掩膜的Si/SiO₂基底上快速制备MXene电极。该方法制造的MSCs表现出472 μF cm^-2和21.4 F cm^-3的高面积和体积比电容，在10000次循环后，仍具有超过87.6%的容量保持率。因此，该工作为开发小型化、智能化储能器件提供了新的思路和策略。

【图文导读】

图1. 芯片式MSCs的制造流程图

图2.叉指状MXene电极的形貌结构

(a) 叉指状MXene电极的光学显微镜照片；

(b) 叉指状MXene电极的SEM图片；

(c) 叉指状MXene电极的截面SEM图片；

(d) MSC-10的AFM图片；

(e) MXene薄膜的厚度约为162nm；

(f)表面轮廓显示出MSC-10表面的均匀性。

图3. 芯片式微型超级电容器MSC-5到MSC-30的电化学性能

(a) 不同MSCs在10 mV s^-1的CV曲线；

(b) 不同MSCs在0.1 μA cm^-2的GCD曲线；

(c) MSC-30在扫描速率从5 mV s^-1到200 mV s^-1的CV曲线；

(d) 不同MSCs在不同电流密度下的体积比电容；

(e) 不同MSCs在不同电流密度下的面积比电容；

(f) 4种器件的奈奎斯特图。

图4. MSCs的集成与功率密度特性

(a) 单个器件、串联、并联的器件在10 mV s^-1的CV曲线；

(b) 单个器件、串联、并联的器件的GCD曲线；

(c) 芯片式MSCs在电流密度为10 μA cm^-2的循环性能，插图给出的是循环过程中的GCD曲线；

(d) 芯片式MSCs的拉贡（Ragone）图谱，通过与rGO-CNT、VN/CNT、PPy、LSG等进行比较，可以看到MXene基芯片式MSCs同时具有较高的能量密度和功率密度，展现出良好的电化学存储能力；

【结论】

综上所述，该工作设计了一种利用可扩展的和低成本的TCC工艺在Si/SiO₂晶片上制造的MXene基MSCs。具有超薄MXene膜的芯片式MSCs表现出优异的电化学性能，包括高的面积比电容和体积比电容，高功率和能量密度，以及优异的循环稳定性。该TCC制造平台为开发基于二维材料的芯片式储能器件提供了新的平台，在下一代半导体应用领域具有广阔的前景。

文献链接

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

西南交通大学杨维清科研团队信息

西南交通大学纳米能源与功能器件研究团队成立于2014年，由四川省“千人计划”入选者杨维清教授领衔，依托材料先进技术教育部重点实验室、西南交通大学分析测试中心等科研平台，主要从事纳米能源材料与微电子集成器件，超级电容器与锂电池储能器件，光电子材料与器件等领域的研究。通过近年来的发展，已成为在国内能量储存研究领域具有一定竞争力的科研团队，承担了国家滚球体育 攻关课题、省部级科研计划项目和多项横向合作项目，取得了多项技术成果和理论成果。该团队现有教授1人，副教授2人，高级工程师1人，助理研究员1人，博士后2人，在读博士、硕士研究生近30人。承担国防创新特区重点研发项目1项，国家自然科学基金面上项目2项，国家自然科学基金青年基金项目1项，四川省“千人计划”创新人才项目1项，其它省部级重点重大项目6项。

本组自2014年以来发表SCI期刊论文80余篇，包括Advanced Materials（IF=25.809）、ACS Nano（IF=13.903）、Nano Energy（IF=15.548）、Small, (IF=10.856)等多篇高影响因子论文。公开发明专利30余项，其中已授权14项，实用新型专利6项。现有博士研究生9人，硕士研究生20人，2015-2019年学生累计获得博士国家奖学金10人次，硕士国家奖学金10人次 ，扬华新秀奖学金4人次，唐立新奖学金2人次，竢实扬华奖章2人次（西南交通大学学生个人最高荣誉），优秀研究生标兵4人次。将博士研究生送到美国佐治亚理工学院、美国加州大学洛杉矶分校、韩国首尔大学等国外知名高校联合培养5人次，拓宽学生的国际视野。

杨维清课题组主页：http://userweb.swjtu.edu.cn/Userweb/yangweiqing/paper.htm

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