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我所在Advanced Materials上發表微型儲能器件的進展報告

  近日,我所吴忠帅研究員和包信和院士在微型储能器件方面的研究工作受到了国际同行的广泛关注,应邀在《先进材料》(Advanced Materials)上发表题为“面向平面化微型电池和微型超级电容器的道路:从二维到三维的器件构型”(The Road Towards Planar Microbatteries and Micro-Supercapacitors: From 2D to 3D Device Geometries)的进展报告。

  微型化與自供電電子系統的快速發展與模塊化,迫切需要開發電化學微型儲能器件,主要包括微型電池和微型超級電容器。其中,平面化微型電池和微型超級電容器由于可以直接在單一基底上與微電子器件集成,進而構建成爲獨立的或補充的微電源,吸引了廣泛的關注。該進展報告重點介紹了平面化微型電池和微型超級電容器的發展曆程和最新進展,從基本原理到設計原則,從平面內構型(叉指型)到堆疊型的幾何構型,以及從二維到三維的器件構型;探討了關鍵電極材料、電解質、器件構型、微電極制備技術,以及電極/電解質/集流體等界面對微型儲能器件電化學性能的影響;最後提出了高比能與多功能化平面微型電池和微型超級電容器的技術挑戰、可行性解決方案和未來的發展方向。

  吳忠帥團隊長期致力于二維材料及其微型儲能器件的研究,取得了一系列重要研究進展:提出了電化學剝離摻雜、超分子分級自組裝、二維納米單元軟模板等新方法,制備出石墨烯和摻雜石墨烯(ACS Nano 2017;ACS Nano 2017;J. Am. Chem. Soc. 2017)、超分子噻吩(Adv. Mater. 2017)、黑磷烯(ACS Nano 2017)、MXene (ACS Nano 2017)、介孔氧化物/聚合物(Energy Storage Mater.,2019;Angew. Chem. Int. Ed. 2019)等多種二維納米能源材料;提出了紫外光還原(ACS Nano 2017)、掩模版輔助過濾(ACS Nano 2017)新技術高效制備微電極,建立了高比能、柔性化、高安全微型儲能器件的構建原則,研制出多種不同平面構型微型儲能器件,如離子液體凝膠基微型超級電容器(J. Am. Chem. Soc. 2018),任意形狀微型超級電容器(ACS Nano 2017;Energy Storage Mater. 2018),锂離子微型電容器(Energy Environ. Sci. 2018),锂離子微型電池(Nano Energy 2018),鋅離子微型電池(Natl. Sci. Rev. 2019);提出了微電極、導電連接體和柔性集流體一體化構築新策略(Adv. Mater. 2017),研制出高集成度化微型超級電容器模塊,輸出工作電壓超過100V(Energy Environ. Sci. 2019)。這些平面化微型儲能器件有望在未來的智能可穿戴設備、物聯網、醫療大健康、微系統、智慧城市等方面得到市場應用。

  上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。这也是献礼我所七十周年所庆文章之一。(文/图 郑双好、侯晓城)

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