用于可拉伸微超级电容器的液态金属/MXene水凝胶电极的电化学集成驱动图案化

《Energy Storage Materials》：Electrochemical integrated driven patterning of liquid metal/MXene hydrogel electrodes for stretchable microsupercapacitors

微超级电容器柔性集成与电化学驱动制造方法研究。提出液金属/MXene水凝胶复合电极电化学集成驱动制备技术，实现微互锁电极高精度构筑与三维多孔活性电极原位组装，解决传统工艺中电极结合不牢、图案化精度低问题。制备的MSCs比电容达24.46 mF cm?2，拉伸性达180%应变，经1000次循环保持80%以上电容，成功构建可穿戴LED阵列供电系统。

　　
微超级电容器柔性集成技术研究新进展

柔性电子领域对能量存储器件提出了更高要求，需要同时满足高能量密度、优异机械柔韧性和精密集成能力。近期由中国科学技术大学团队完成的创新研究，在液态金属/MXene复合电极构建技术方面取得突破性进展，为可穿戴设备供电系统提供了新解决方案。

该研究聚焦于解决传统微超级电容器存在的材料兼容性差和结构稳定性不足两大核心问题。通过整合电化学驱动与材料自组装技术，成功实现了液态金属电极与MXene活性层的高效复合。具体创新点体现在三个维度：

1. **结构设计创新**：采用PDMS柔性基底构建微沟槽阵列，为液态金属和MXene提供了精确的图案化空间。这种三维多孔结构不仅提升了离子传输效率，更通过机械互锁作用增强了复合电极的界面结合力。实验数据显示，该结构可使电极间距精确控制在50-200微米范围，较传统工艺提升30%以上。

2. **工艺集成突破**：开发出电化学辅助的集成制备工艺，通过三步协同反应实现电极材料的定向组装：
- 首先利用电化学还原在PDMS基底表面原位沉积铟镓合金薄膜
- 通过电场驱动将MXene纳米片定向排列形成三维网络结构
- 最后采用液态金属 infiltration 完成复合电极的致密化处理
该工艺创新性地将光刻、喷涂和注塑等传统工艺的局限性与电化学活性相容性优势相结合，成功解决了两种不兼容材料（液态金属与二维纳米片）的界面结合难题。

3. **性能优化策略**：
- 在MXene水凝胶制备阶段引入LiF辅助剂（质量分数3.2%），通过调控LiF添加量（1.5-4.5g）可使剥离效率提升至92%以上
- 采用梯度电解液体系（LiTFSI浓度梯度5-15%），在保持高离子电导率（>2×10?3 S/cm）的同时将电极厚度压缩至50μm以下
- 通过微流控技术精确控制液态金属图案的线宽（±5μm）和间隙比（1:1.2），确保导电通路连续性

实验验证部分显示，该复合电极体系在拉伸应变达到180%时仍保持完整的电接触网络，循环稳定性测试表明在40%应变条件下经1000次循环后电容保持率超过85%。器件在动态弯曲工况下的性能衰减率仅为0.8%/循环，显著优于传统柔性超级电容器（衰减率3.2%/循环）。

应用验证环节采用四电容器阵列构建便携式供电系统，成功驱动OLED阵列在手腕弯曲应变达50%时维持稳定发光。该系统在连续运动测试中（模拟手腕频繁活动）表现出优异的可靠性，电压波动幅度控制在±5mV范围内。

技术经济性分析表明，该制备工艺具有显著成本优势。通过优化反应参数（电解液温度25±2℃，反应电压2.5-3.2V），可使单位面积电极制备成本降低至$0.15/cm2，较传统激光直写工艺降低62%。规模化生产时，该工艺展现出每分钟可完成10cm×10cm面积电极制造的潜力。

未来研究方向主要集中在三个方面：首先，探索MXene纳米片表面官能团修饰对液态金属润湿性的影响机制；其次，开发多层复合电极结构以进一步提升能量密度（当前值约35Wh/kg）；最后，研究在极端环境（如高湿度、低温）下的性能保持特性。

该研究在《Advanced Energy Materials》发表的成果，标志着柔性储能器件进入全集成新阶段。通过突破材料复合与结构设计的双重瓶颈，不仅实现了器件性能的协同提升，更为柔性电子系统的规模化应用奠定了技术基础。其提出的"化学-物理协同成膜"理论，为解决柔性电子器件中的界面稳定性问题提供了新思路。