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解說頭版文章

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系列能源轉換與存儲類封面大賞（7月第1期）

瑞士聯邦材料科學與技術研究所（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品更新、換代產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）技術構建超級電容器。儲能活性物質為活性炭，最大電容25.6 F/g（基于活性炭質量），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)境負擔小。筆者認為可降解器件的研發(fā)或成為今后能源存儲領域的新熱點之一。

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/電解質與負極/電解質翻折相對組裝而成。封面則將正負電極化作兩片相對的樹林，并給上方的房屋供電。如此構圖不僅表現了能源供應的應用，還以樹林表達了可降解相關的綠色、環(huán)保主題。

鋰氧電池電解液

Advanced系列能源轉換與存儲類封面大賞（7月第1期）

英國利物浦大學（Liverpool University）Laurence J. Hardwick教授、Alex R. Neale博士及合作者探究了通過調整鋰空電池電解液配方以達到電解液與鋰金屬負極兼容的可行性。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)現當溶液中所有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極。電解液中的氣泡中四個DMSO和Li⁺絡合在一起，對應文章報道的穩(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構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)?、劉生忠課題組聯合發(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納米片和導電的PH1000（一種PEDOT導電高分子），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。打印的對稱超級電容器的體積電容高達754 F/cm³，能量密度達到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。

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，對應打印墨水（材料）。下方打印出的插指電極對應微型超級電容器（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（應用）。

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Advanced系列能源轉換與存儲類封面大賞（7月第1期）

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