Una preimpresión de la revista. materiales de almacenamiento de energía proporciona una evaluación crítica y profunda del avance en las tecnologías de microfabricación de MXenes para dispositivos de almacenamiento de energía (MESD) a microescala, como microsupercondensadores y microbaterías.
Estudio: estado actual y perspectivas futuras de 2D MXene para microsupercondensadores y microbaterías. Crédito: Black_Kira/Shutterstock.com
Los compuestos bidimensionales basados en MXene son prometedores para aplicaciones MESD en electrónica portátil y a nanoescala. Hasta ahora, se han utilizado varios métodos de microfabricación para fabricar microelectrodos basados en MXene para MESD.
Los diferentes enfoques afectan no solo el diseño del dispositivo, sino también la morfología de los electrodos MXene y la eficiencia electroquímica de los microsupercondensadores y las microbaterías.
Dispositivos de almacenamiento de energía a microescala (MESD): el futuro de la electrónica
El advenimiento de la electrónica inteligente para hacer realidad la ambición de la «Internet de todo», caracterizada por una microelectrónica integradora, portátil y versátil, ha llevado al rápido crecimiento de dispositivos de almacenamiento de energía (MESD) compatibles a microescala, como los microsupercondensadores (MSC). ) y microbatería ( MB’s).
En los últimos años, los MESD se han promocionado fuertemente para aplicaciones en sistemas de vigilancia a microescala, micro/nanorobots, sistemas de entrega autoalimentados, dispositivos médicos implantados, monitoreo de pacientes y sistemas GPS. Como resultado, el deseo de reducir el tamaño de la electrónica del medidor a los niveles micro y nano aumenta la necesidad urgente de recursos de microenergía.
Limitaciones de los dispositivos tradicionales de almacenamiento de energía
Los dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica (EESD) tradicionales tienen una construcción tipo sándwich de dos electrodos, un electrolito y un divisor, con limitaciones estructurales y de tamaño específicas. Para abordar este problema, es crucial proporcionar MESD de alto rendimiento con gran flexibilidad, adaptabilidad e interoperabilidad con la microelectrónica.
Los microsupercondensadores y las microbaterías son MESD representativos que se pueden interconectar directamente con la microelectrónica como fuentes de energía individuales a microescala o como complementos de módulos de conversión de energía de tamaño nanométrico, como paneles solares y nanogeneradores, para reducir el cambio, la previsibilidad y la aleatoriedad. de energía solar y mecánica sostenible.
MXene como materiales de electrodos para MESD
Los materiales de los electrodos, que son un componente fundamental de los MESD, desempeñan un papel fundamental a la hora de decidir la eficacia general. Por lo tanto, se necesitan sustancias de electrodos únicas de alto rendimiento con buenas conductividades y una capacidad de almacenamiento de carga significativa.
MXene es reconocido como un electrocatalizador potencial para microsupercondensadores y microbaterías debido a sus propiedades únicas, como alta conductividad eléctrica, transferencia rápida de electrones, dispersión de iones, humectabilidad excelente, confiabilidad térmica mejorada, espaciado entre capas controlable y morfología configurable.
Microfabricación de microsupercondensadores (MSC) basados en MXene
Los microsupercondensadores, un tipo especial de MESD, tienen las ventajas combinadas de una ruta de tránsito de iones más corta, una mayor densidad de energía y una vida útil más prolongada que los supercondensadores tradicionales. No solo resuelve el problema de baja densidad de energía de los condensadores electroquímicos, sino que también se puede combinar con la nanoelectrónica como fuente de energía para generar rápidamente picos de energía eficientes.
Los MXenes se consideran materiales de electrodos interesantes para su uso en microsupercondensadores. Los MXenes son generalmente ultradelgados, tienen una alta densidad de apilamiento y son mecánicamente estables. Esto es beneficioso tanto para el material del electrodo como para los colectores de corriente, lo que da como resultado microsupercondensadores de peso ligero, ductilidad y fácil integración.
Se requiere la microfabricación configurable de microsupercondensadores con buena geometría, rendimiento e integración para dispositivos de almacenamiento de energía de alta eficiencia. El proceso de grabado químico húmedo es actualmente la principal técnica de síntesis de MXene. La filtración, el estampado, la impresión, el recubrimiento y la deposición son algunas otras estrategias de microfabricación para supercondensadores basados en MXene.
Microbaterías (MB) basadas en MXene: desarrollo y desafíos
La fabricación de MB adaptables y compactos es crucial debido a la urgente necesidad de integrar sistemas microelectrónicos con baterías pequeñas. La fabricación a gran escala de MB requiere una excelente compatibilidad y miniaturización, lo que requiere la creación de MB multicapa con geometrías adaptables.
Sin embargo, es difícil fabricar MB de larga duración con resistencia relativamente alta, gran capacidad y densidad de energía. El diseño y la implementación de materiales de electrodos con mayor conductividad ion-electrón son esenciales para controlar el desempeño de los MB en este sentido.
MXenes tiene una fuerte conductividad iónica, adaptabilidad y calidad funcional, lo que los convierte en materiales adecuados para el desarrollo de microbaterías.
perspectiva del futuro
Los problemas asociados con las propiedades inherentes de MXene deben resolverse aumentando la absorción eficiente de iones, la intercalación y la transferencia de electrones y mejorando la conexión electrolítica entre el electrodo y el electrolito. El desarrollo de nuevos materiales MXene es un paso importante para mejorar la eficacia de los microsupercondensadores y las microbaterías.
Las técnicas de microfabricación para diseñar microelectrodos también son cruciales para la fabricación de MESD basados en MXene de alto rendimiento. Se requiere un diseño de dispositivo adecuado para minimizar aún más el tamaño de los MESD sin comprometer el rendimiento del dispositivo. La demostración de MESD completamente impresos todavía es bastante limitada en este momento, pero será una importante vía de investigación en el futuro.
Además de superar los límites de alta eficiencia electroquímica, se espera que los microsupercondensadores y las microbaterías basados en MXene adquieran multifuncionalidades inteligentes y aceleren su aplicabilidad en varios sectores basados en la electrónica.
Relación
Zhu, Y. et al. (2022). Estado reciente y perspectivas futuras de 2D MXene para microsupercondensadores y microbaterías. materiales de almacenamiento de energía. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.06.044
