激光烧蚀图案化制备纺织基Ti3C2 MXene柔性电容器及其可穿戴储能应用

本文创新性地采用激光烧蚀（LA）技术在TPU涂层棉织物上实现Ti3C2 MXene（MX）电极的亚毫米级图案化，成功构建纺织基对称电容器（Sy-Cs）。研究通过优化扫描策略（OSS模式）避免电极降解，获得11.7 mF cm-2的高面电容，并验证其在12,000次弯曲循环后仍保持2.51 mF cm-2的稳定性。密封处理的器件在100 μA cm-2下实现9,025次循环寿命，所组装的阵列可瞬时输出303.6 μW功率，为可穿戴电子（IoT）提供新型储能解决方案。

　　

1 引言

可穿戴电子与物联网（IoT）设备的快速发展对柔性储能系统提出迫切需求。纺织基电容器因其与人体兼容性成为研究热点，但传统电极加工技术难以实现亚毫米级分辨率。Ti₃C₂ MXene（MX）凭借高导电性和层状结构成为理想电极材料，而激光烧蚀（LA）技术因其高精度和快速加工特性，为纺织基器件制造提供新思路。

2.1 LA工艺特性

研究采用HCl/HF混合酸蚀刻Ti₃AlC₂ MAX相获得多层MX，经LiCl插层后层间距从9.3 ?扩展至14.4 ?。TPU涂层棉织物上的MX薄膜（2.6 μm厚）通过1064 nm光纤激光加工时，单方向扫描（SDH）会产生48 μm直径的烧蚀坑，而优化扫描策略（OSS）可避免热损伤，实现0.225 mm的实际刻蚀宽度。EDX图谱显示界面处MX片层呈现随机褶皱，这是由激光冲击波导致的材料飞溅所致。

2.2 电化学性能

OSS模式制备的对称电容器（Sy-Cs）在0.8 V电压窗口下展现7.76 mF cm^-2面电容，较SDH模式提高218%。电化学阻抗谱（EIS）显示其等效串联电阻（ESR）为131.6 Ω。速率测试表明电容随扫描速率升高而衰减，1 mV s^-1时为11.7 mF cm^-2，100 mV s^-1时降至0.53 mF cm^-2，这归因于MX电极的赝电容特性。密封处理使器件在100 μA cm^-2下的循环寿命提升至9,025次，平均库伦效率达98.62%。

2.3 电容器阵列应用

五串联双并联的MX Sy-Cs阵列（总面积5 cm²）可驱动SMD蓝色LED，峰值功率达303.6 μW（电压2.5 V）。能量分析显示其1分钟平均输出功率为62.27 μW，满足RFID标签等低功耗设备需求。弯曲测试视频证实阵列在变形状态下仍保持功能完整性。

3 结论

该工作证实LA技术可高效制备纺织基MXene储能器件，通过工艺优化解决电极降解难题。UV固化凝胶电解质（GPE）与密封层的协同作用显著提升循环稳定性，为智能纺织品开发提供新范式。

4 实验方法

MX合成采用混合酸蚀刻-插层法，LA加工参数为450 μJ脉冲能量/20 kHz频率，凝胶电解质含3 M LiCl/丙烯酰胺交联网络。电化学测试使用VSP-300电化学工作站，结构表征通过XRD（Cu K_α辐射）和SEM完成。