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品味智慧之光

縱使攬勝四方

我自封面大賞

——編者

3D打印超級電容器

Advanced系列能源轉(zhuǎn)換與存儲類封面大賞（7月第1期）

瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所（Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology）Gustav Nystr?m博士課題組報道了一種全3D打印的可降解超級電容器。該工作直擊因電子產(chǎn)品更新、換代產(chǎn)生的大量電子廢棄物難以處理的難題。通過制造可降解電子器件，從源頭上減少電子廢棄物的數(shù)量。

具體而言，他們采用了以纖維素為主體的墨水材料，通過墨水直寫（Direct Ink Writing）技術(shù)構(gòu)建超級電容器。儲能活性物質(zhì)為活性炭，最大電容25.6 F/g（基于活性炭質(zhì)量），最大輸出電壓1.2 V。纖維素賦予器件可降解性：埋在土里的超級電容器一周后質(zhì)量減少30%，兩個月后剩50%的重量。余下的碳材料無毒無害，且可被回收利用再次制造超級電容器，對環(huán)境負(fù)擔(dān)小。筆者認(rèn)為可降解器件的研發(fā)或成為今后能源存儲領(lǐng)域的新熱點之一。

封面開了個腦洞，將文章報道的3D打印超級電容器比作樹林。論文報道的超級電容器是通過將打印在一塊基板上的正極/電解質(zhì)與負(fù)極/電解質(zhì)翻折相對組裝而成。封面則將正負(fù)電極化作兩片相對的樹林，并給上方的房屋供電。如此構(gòu)圖不僅表現(xiàn)了能源供應(yīng)的應(yīng)用，還以樹林表達(dá)了可降解相關(guān)的綠色、環(huán)保主題。

鋰氧電池電解液

Advanced系列能源轉(zhuǎn)換與存儲類封面大賞（7月第1期）

英國利物浦大學(xué)（Liverpool University）Laurence J. Hardwick教授、Alex R. Neale博士及合作者探究了通過調(diào)整鋰空電池電解液配方以達(dá)到電解液與鋰金屬負(fù)極兼容的可行性。DMSO是一種常用的電解液溶劑，但其對金屬鋰不穩(wěn)定，因而限制了它在高能量密度的鋰金屬電池中的應(yīng)用。為解決這一瓶頸，作者們猜想可通過向DMSO/鋰鹽（LiTFSI）體系中引入第三組分——離子液體（[Pyrr₁₄][TFSI]）以調(diào)控DMSO的濃度，從而改變電解液對鋰的穩(wěn)定性。

通過拉曼光譜、NMR和計算模擬等表征手段，作者們發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶液中所有DMSO分子都與Li⁺相互作用時，DMSO對鋰的穩(wěn)定性最高。此時DMSO與Li⁺的物質(zhì)的量比大約為4:1。使用最佳配比電解液時，鋰金屬電極可穩(wěn)定剝離-沉積超過900小時而電池過電勢無明顯變化，剝離-沉積庫倫效率大于94%。電解液中的溶解氧對與金屬鋰電極的剝離-沉積穩(wěn)定性影響甚微。

畫面右上側(cè)為一塊氧氣正極（周圍布滿紅色氧氣分子），左上和正下方為兩塊金屬鋰負(fù)極。電解液中的氣泡中四個DMSO和Li⁺絡(luò)合在一起，對應(yīng)文章報道的穩(wěn)定配比。沒有處在氣泡中的DMSO（自由溶劑分子）接觸左上方鋰后使鋰的表面變得斑駁，而有氣泡包裹的DMSO則能保持下方鋰金屬電極的平整、潔凈。這一對比突顯了電解液中離子溶劑化結(jié)構(gòu)對于提升電解液對鋰金屬穩(wěn)定性的必要性。此外，畫面中還有長鏈離子液體添加劑。

微型超級電容器

Advanced系列能源轉(zhuǎn)換與存儲類封面大賞（7月第1期）

中科院大連化物研究所吳忠?guī)洝⑸艺n題組聯(lián)合發(fā)表了一種用于噴墨打印的環(huán)保水性墨水材料。該墨水材料的主要成分為Ti₃C₂T_x MXene納米片和導(dǎo)電的PH1000（一種PEDOT導(dǎo)電高分子），可用于噴墨打印微型超級電容器。PH1000阻礙了MXene納米片團聚，確保電子和離子在打印電極中能夠快速傳導(dǎo)。打印的對稱超級電容器的體積電容高達(dá)754 F/cm³，能量密度達(dá)到9.4 mWh/cm³。此外，這種微型超級電容器可作為電能存儲元件方便地整合于微型電路中，用于制造微型電子器件或系統(tǒng)。

封面全面集合了論文所有要點：左上方打印嘴里裝有MXene水溶液，對應(yīng)打印墨水（材料）。下方打印出的插指電極對應(yīng)微型超級電容器（器件）。在微型超級電容器的一端電極上附著溫敏材料后制成傳感器，感知太陽能機械手的按壓（應(yīng)用）。

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Advanced系列能源轉(zhuǎn)換與存儲類封面大賞（7月第1期）

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