冯新亮&庄小东Chem. Soc. Rev.：二维材料储能器件小型化:从单个器件到智能集成系统

【前言】

使用煤炭、石油和天然气等稀缺化石燃料的能源生产正在世界范围内造成严重的经济和环境问题。人类迫切需要开发可再生资源，如太阳能、风能、潮汐能和地热能。然而，由于这些自然资源的间歇性，储能系统在储存这些资源产生的电力方面发挥着重要作用。在各种存储介质中，包括可充电电池(RBs)和超级电容器(SCs)的电化学能量存储设备广泛用于便携式电子设备(例如移动设备、多媒体播放器和个人医疗设备)、介质运输系统(例如电动车辆和航空航天)和大规模能量存储系统(例如电网)。

【成果简介】

如今，人们对便携式、可植入式和可穿戴式电子设备的日益增长的需求极大地刺激了小型化储能设备(MESDs)的发展。电化学活性材料和微细加工技术是MESDs中不可缺少的两个部分。特别是，微电极阵列的结构设计有利于二维(2D)活性材料的获得。近日，来自德国德累斯顿工业大学的首席教授，上海交通大学特聘教授冯新亮以及上海交通大学的庄小东特别研究员（共同通讯）在Chem. Soc. Rev.上发表文章，题为：Two-dimensional materials for miniaturized energy storage devices: from individual devices to smart integrated systems。作者综述了基于电化学活性2D材料的微电池和微超级电容器的最新进展。新兴的微细加工策略能够精确控制小型化器件的厚度、均匀性、结构和尺寸，这为实现高能量和功率密度提供了巨大的机会。此外，随着智能和交互模式的出现，对智能功能和集成系统进行了详细讨论。最后，作者提供了与2D材料、器件制造、智能响应设计和微器件集成相关的未来发展、机遇和紧迫挑战。

图1. 微能源存储系统

图2.当前综述内容的示意图，包括电化学活性2D材料、制造技术、功能响应和智能集成系统

图3. 基于少层石墨烯的双离子MB

图4. 基于Si纳米膜的MB和在锂化/脱锂氧化还原反应期间Si纳米膜电导率的原位探测

图5. 使用EG薄膜作为微电极的喷墨印刷MSCs

图6. 具有多孔石墨烯网络的LIG基MSCs

图7. 具有两个PANI-G层和三个EG层的基于交替堆叠的2D结构的面内MSCs

图8. 面内LIG–FeOOH//LIG–MnO₂ AMSCs

图9. 基于剥离的TaS₂层的面内MSCs

图10. 通过激光划线和电沉积具有高工作电压的面内混合MSCs

图11.  MXene基MSCs的喷涂

图12. 基于2D共轭聚合物作为微电极制造MSCs的LBL方法

图13. 基于2D EG/V2O5微电极的智能电致变色MESD

图14. 能量收集集成系统

【总结】

新兴的电化学活性2D材料为高性能、可靠和可升级的MESDs的未来发展打开了一扇新的窗口。本文综述了MESDs在多种2D材料、微制造方法和设计技术方面的最新成就。二维材料，包括石墨烯、TMOs/TMHs、TMDs、MXenes和二维有机骨架材料，研究人员已经根据它们对MSCs和MBs的电化学性能进行了研究。另一方面，器件制造在技术创新中起着关键作用，这反过来又会影响MESDs的复杂性和大规模生产。研究人员还认为，引入智能功能和将微型设备集成到系统中对于促进智能电子的高速增长是不可或缺的。同时基于2D材料的MESDs在各个器件领域已经取得了相当大的成就；最近，基于这种MESDs的集成系统已经被证明它们的潜在应用范围。然而，一些关键的技术挑战仍然需要解决。

针对最先进的MESD性能，2D材料的结构工程为调整包括电导率、氧化还原电位、晶相结构和化学稳定性在内的化学和物理性能提供了坚实的基础。杂原子掺杂、缺陷/空位产生、表面/界面修饰和异质结构构建等方法为进一步改善2D材料的物理化学性质提供了巨大的机遇。众所周知，2D材料面临的一个巨大挑战在于，由于其强大的范德华相互作用，它们不可避免地会聚集在一起。为了解决这个问题，人们可以通过嵌入异质分子来扩大层间空间，以提高存储能力或增加活性位点。此外，对于MESDs，直接生长在交叉型集电器上的垂直取向2D材料有利于实现低界面电阻和促进电荷传输。此外，为了获得更高的比表面积和更好的导电性，将不同材料与2D混合材料复合是克服每个部件局限性的可行方法。当然，具有极佳电化学性能的新型2D材料总是非常理想的。例如，具有大比表面积和良好导电性的2D材料，如硅烯、石墨烯、锗烯、硼苯、碲烯和磷烯，可能是高性能MESDs的潜在候选材料。然而，由于它们在环境条件下化学降解时表面固有的不稳定性，这些2D材料需要表面功能化或涂层。另一方面，新兴的具有堆叠π共轭2D层、可控孔径和高比表面积的导电MOFs也是能量存储应用中吸引人的电极材料。更重要的是，高质量2D材料的可伸缩性和可加工性不仅对于基础研究至关重要，对于真正的工业应用也至关重要，这些应用需要先进的微加工技术，包括喷墨印刷、3D印刷和丝网印刷等。

为了满足智能电子设备的需求，智能响应MESDs已经成为功能性电源。然而，由于小型化的结构和复杂的制备过程，只有有限的工作致力于开发具有智能功能的MESDs，如自愈合、可压缩性、电致变色和拉伸性。在这方面，重要的是使用与其工作条件和器件结构兼容的功能电解质或电极。智能电解质的设计可以进一步考虑各种多响应聚合物，如光敏、水溶性、pH敏感、热响应、电响应和磁响应聚合物。此外，2D活性材料的表面功能化将光线照射到智能电极中，这是因为可以灵活调节电导率、表面积以及电解质中的离子传输。因此，智能材料的探索对于MESDs微制造技术的发展同样重要。

作为微电源和储能微器件，基于2D材料的MESDs最终旨在为即用型耗能微电子器件提供动力。由于智能集成系统的复杂制造过程，迄今为止只有很少的工作得到证实。因此，涉及能量收集、能量存储和能量消耗单元的创新的自供电集成系统代表了极具吸引力的研究方向。此外，具有可折叠、可清洗和可生物降解特性的智能集成系统的设计可以为未来智能、独立和连续运行日常电子产品铺平道路。最后，这些多功能一体自供电系统有望在未来造福于医疗保健应用。

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

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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