《Adv. Funct. Mater.》：基于气溶胶喷射打印技术的MXene 微型超级电容器用于柔性可水洗纺织品储能

引言

随着科技的飞速发展，智能穿戴设备越来越普及，我们的日常生活、运动、健康监测甚至安全防护，都离不开这些“智能衣”。然而，要实现真正的“贴身”智能，关键之一是要解决能量供应的问题：传统的电池体积大、刚性强，不易融入柔软的纺织材料；而且电池的寿命、充放电性能、洗涤耐久性都面临挑战。

因此，发展轻便、柔性、可洗、性能优异的能源存储器，成为推动智能穿戴产业的重要突破口。而超级电容器（supercapacitor）以其高功率密度、长寿命、快速充放电等优点，成为理想的选择之一。能否将超级电容器直接集成到纺织品中，成为业界追求的“终极目标”。

今天，我们就来介绍一项令人振奋的技术突破——利用气溶胶喷射打印技术（AJP：Aerosol Jet Printing），将高性能的MXene材料直接“绘制”在衣物上，制造出既柔软又耐洗、性能卓越的微型超级电容器，为穿戴式电子带来全新变革。

正文

工作原理

1. 什么是MXene材料？

MXene是一类由层状过渡金属碳化物或氮化物组成的二维材料，具有极高的导电性、丰富的表面化学反应活性，以及优异的机械性能。这些特点让MXene成为制作超级电容器的理想电极材料。

2. 气溶胶喷射打印技术（AJP：Aerosol Jet Printing）

气溶胶喷射打印技术（AJP）实际上是一种高精度的材料沉积技术。与传统的打印不同，气溶胶喷射打印技术（AJP）可以实现微米级的高分辨率，操作灵活，且适用多种粘度范围的材料，特别适合在柔软、不规则的表面（像布料）上直接制备电子元件。

3. 技术结合：无粘结剂的MXene墨水

这项技术的核心，是用“纯净的水性 MXene 墨水”，通过气溶胶喷射打印技术（AJP）逐层“喷绘”在纺织物表面，形成连续、均匀的导电涂层。这些MXene涂层本身导电性极高，无需粘结剂或其他金属电极，从而极大简化了设备结构，也减轻了成品重量。

4. 能量存储机理

制成的超级电容器依赖MXene的“双电层电容”作用和表面氧化还原反应（赝电容），实现快速充放电、长寿命的能量存储。简单说，就是通过在纺织表面形成的导电“仓库”，储存和释放电能，实现“随身携带”的动力源。

创新亮点

1. 高性能的电极

极高的比电容：每单位面积可提供高达4.4法拉/平方厘米的电容量，比传统柔性电极大大提升。

宽电压窗口：-0.65V到0.2V的工作范围，让能量密度提升。

出色的循环寿命：经1万次充放电循环，容量几乎不衰减，展现出极佳的稳定性。

抗洗耐用：经过多达100次洗涤（模拟真实穿着洗涤条件），电极仍保持优异性能。

2. 纺织物直接成电极

采用气溶胶喷射打印技术（AJP）无Mask高精度喷射技术，可以在各种纺织材料（棉、涤纶等）上直接“绘制”电极图案。

薄层、均匀、粘结性强，不影响织物手感和外观。

3. 灵活且可定制

设计多样化的电极结构（如交错式、并联或串联模式），满足不同电子设备的需求。

不限制形状和尺寸，随意调整设计，适应各种装置和服饰。

应用前景

1、智能服装中的能量供应

直接缝入运动服、医用监测服、军用装备等，实现“穿在身上”的能量仓库。

不影响日常穿着体验，也方便洗涤维护。

2、可穿戴医疗设备

用于智能手环、健康监测衣，提供持续稳定的电源保障。

超级电容器的快速充放电特性，适合动态采集和存储生理数据。

3、智能运动装备

如智能跑鞋、瑜伽服等，既保证运动时能量供应，又保证舒适性。

可实现无线通信和传感器的能量供应，提高运动体验。

4、灵活电子皮肤和仿生材料

集成在机器人、仿生手套等，对柔性电子技术的未来具有引领作用。

图文导读

图1.无添加剂水性Ti3C2Tx油墨的表征。a) Ti3C2Tx油墨的雾化和气动聚焦气溶胶喷射打印（AJP）技术过程示意图。b) Ti3C2Tx薄片的TEM图像。c)通过ImageJ分析软件跨多幅图像（图S1和S5，support Information）确定Ti3C2Tx薄片在油墨中的尺寸分布直方图，并进行统计分析。d)在气溶胶喷射打印（AJP）超声雾化后的TEM图像显示了皱巴巴的Ti3C2Tx薄片。e)印在棉花上的互指装置（IDD）的光学显微镜图像，展示了气溶胶喷射打印（AJP）的高分辨率图像化能力。f)棉花上（1×6）mm2样品的抗性与ajp沉积层数的关系。附图显示，质量载荷与打印层数之间存在很强的线性关系（R2 = 0.98896），证实了通过气溶胶喷射打印（AJP）沉积材料的一致性和精度。Ti3C2Tx MXene气溶胶喷射打印（AJP）沉积在g)棉花（C), h)涤棉（PC）和i）聚酯（PR）上的SEM图像。蓝色虚线表示原始织物（左）和打印Ti3C2Tx薄膜（右）之间的边界。j)棉花表面特写，突出织物表面单个Ti3C2Tx墨片。k)对比Ti3C2Tx MXene薄膜和MXene印花织物的XRD光谱（MX@C, MX@PC, MX@PR）。光谱显示了特定的mxene相关峰和特征织物峰，突出了成功的集成和定制的材料-织物相互作用，图S10-S14（支持信息）进一步详细说明。

图2.气溶胶喷射打印（AJP）MX@Fabric 电极的电化学特性。a) MX@C-10L 电极在 5、10、11、12、13、15、16、20、30、50、100、200、300、500、1000 mV s−1 扫描速率下的循环伏安曲线，展示了 Ti3C2Tx 在硫酸中的赝电容行为。b) MX@C-10L 电极在 10、20、50、100、200 和 500 mA cm−2 电流密度下的恒电流充放电曲线，呈现出对称且非线性的轮廓。c) MX@C-10L、MX@PC-10L 和 MX@PR-10L 电极在 5 mV s−1 扫描速率下的比较循环伏安曲线。d) MX@C-10L、MX@PC-10L 和 MX@PR-10L 电极的倍率性能比较，以面积电容表示。e) 具有 10、20、30、50、100 层打印的 MX@C 电极的倍率性能。f) 具有 10、20、30、50 和 100 层打印的 MX@C 电极在 10 mA cm−2 电流密度下的比较恒电流充放电曲线。g) 通过 MX@C-10L、MX@PC-10L 和 MX@PR-10L 电极的 b 值分析电荷存储动力学。虚线斜率为 b = 1 表示理想的电容/赝电容充电机制和快速离子扩散。h) MX@C-10L、MX@PC-10L 和 MX@PR-10L 电极的循环稳定性研究，通过在 100 mV s−1 下进行 10，000 次循环伏安长循环。

图3.MX@C-10L-#W 电极的耐洗性研究（依据 ISO 105-C06 测试 A1M 标准），通过显微镜观察和电化学分析进行。a-c）光学显微镜（左）和扫描电子显微镜（右）图像分别展示了未洗涤（0W）、洗涤 5 次（5W）和洗涤 60 次（60W）后的实例，突出了织物完整性、MXene 分布以及随着洗涤次数增加的微观结构变化。d）在 5 mV s−1 扫描速率下，不同洗涤周期下的循环伏安曲线，显示出清晰的阴极和阳极峰。e）速率性能趋势图，概述了多次洗涤周期中的电容变化。f）通过 b 值对不同洗涤阶段的电荷存储动力学进行分析。虚线斜率为 b = 1，表示理想的电容/赝电容充电机制和快速离子扩散。

图4.具有 IDD 电极结构的气溶胶喷射打印（AJP） Ti3C2Tx MX@C MSCs。a) MX@C-30L MSC 在 2、5、10、20、30 和 50 mV 秒−1 扫描速率下的循环伏安曲线。b) MX@C-30L MSC 在 0.5、1、2、4 mA 平方厘米电流密度下的梯度电流密度曲线。c) 打印型 MSCs 领域中的面积电容比较，[4，23，51，55-65] 其中用 * 标注的样本是本研究中制备的，详情见表 S3（附录）。d) 拉戈内图，展示了所报道的打印型 MSCs 之间的比较，[23，51，56，57，60，64] 其中用 * 标注的样本是本研究中制备的，详情见表 S4，附录。e) 在 10 mV 秒−1 的条件下，MX@C MSC 在 0、45、90、135 和 180 度弯曲条件下的电化学性能。f) 弯曲角度对面积电容的保持率。g) 一串联、两串联（2S）和两并联（2P）MSC 器件以及一个为 LED 灯泡供电的四串联串联器件的比较，见图注。

结语

随着科技的不断飞跃，将“电子化”深度融入我们的日常穿着，已经成为可能。而这项利用气溶胶喷射打印技术（AJP）在纺织物上直接制造超级电容器的创新突破，为未来智能衣提供了全新的解决方案。其高性能、耐洗、轻便、可定制的特点，必将引领穿戴电子行业走向崭新的局面。

相信在不远的将来，我们每个人都能穿上“自带能量”的智能服装，无需担心电池容量不足、充电不便，更不用担心洗涤损坏问题。科技让生活更便捷，更智能，而这项技术正是开启未来“智慧衣柜”的钥匙。

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