构建具有高能量/功率密度的水系锌离子混合电容器（ZIC）具有重要意义。然而常规碳材料由于其有限的比表面积无法存储大量锌离子；同时，传统的平面电极中有限的孔隙结构导致活性材料的利用率低，成为ZIC器件性能提升的瓶颈。3D打印是构建储能系统的一种新兴技术。得益于相互连接的框架和丰富的孔结构，3D打印电极通常表现出良好的电化学性能。打印结构的机械稳定性关键在于具有良好流变性和剪切变稀行为的墨水，然而，在形成墨水的过程中，经常需要加入添加剂来调节其流变性能，这些添加剂通常需要繁琐的后处理，并可能影响活性材料容量的发挥。
近日，苏州大学孙靖宇课题组采用二价阳离子交联法获得了可打印的MXene墨水，该方法高效快速、在几秒内便可完成，同时避免了添加剂的引入。形成的墨水呈多孔凝胶态，有效抑制了MXene片层的堆叠。将所得的MXene墨水打印成型作为ZIC正极，实现了良好的倍率性能（184.4 F g−1 at 10 A g−1）和较高的比容量（1006.4 mF cm−2 at 0.38 mA cm−2）。此外，该团队还采用了一系列原位/间位手段证实了3D打印的 MXene电极在ZIC中的电荷存储机理为H+/Zn2+双离子存储，即H+的赝电容行为和Zn2+的双电层电容行为。该研究以“3D-Printed Zn-Ion Hybrid Capacitor Enabled by Universal Divalent Cation-Gelated Additive-Free Ti3C2 MXene Ink”为题发表在ACS Nano上。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.0c09646
图1. MXene油墨的制备方法及打印实物展示.
近年来，suncitygroup太阳集团网址孙靖宇教授团队基于江苏省“先进碳材料与可穿戴能源技术重点实验室”研究方向牵引，通过苏州大学——北京石墨烯研究院协同创新中心平台进行产学研协同创新，在烯碳材料的可控直接制备、碳基印刷化储能器件及多场耦合可穿戴能源系统领域取得系列进展（苏州大学均为第一署名单位）。定制兼具导电性和溶液可加工性的新型墨水，应用于柔性印刷及3D打印能源器件领域（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805510; ACS Nano 2019, 13, 7517; Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901839; Nano-Micro Lett. 2020, 12, 143; Nano Energy 2020, 75, 104970; ACS Nano 2020, 14, 867; ACS Nano 2020, 14, 16073; Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2001161; Adv. Mater. 2020, 32, 2005967; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2006798; ACS Nano 2021, 15, 3098）。进一步地，通过梳理可穿戴能源的实际应用场景需求，有效构筑高安全长续航的可穿戴能源器件及多场耦合一体化系统（Nano Res. 2018, 11, 4614; Energy Environ. Sci. 2018, 11, 2620; Adv. Mater. 2018, 30, 1800963; Nature Commun. 2019, 10, 4913; Nano Energy 2019, 60, 247; Nano Res. 2019, 12, 331; Chem. Commun. 2019, 55, 1291; Adv. Mater. 2020, 32, 2003425; J. Mater. Chem. A 2020, 8, 1757）。研究工作被Nature Research Device & Materials Engineering Community、中国科学报、科学通报、MaterialsViewsChina、Phys.org等亮点报道。特别地，该团队近日设计了具有高倍率性能的微型锌离子电池与砷化镓太阳能电池的有效集成系统，有效解决了太阳能电池和储能设备之间的不匹配问题，首次实现了具有高整体能量转化效率(23.11%)的可穿戴集成单元，为发展实用化的可穿戴能量系统提供了新思路（Energy Environ. Sci. 2021, DOI: 10.1039/D0EE03623D）。
孙靖宇课题组网站：http://sunjingyulab.com