西南交大杨维清Nano Energy：一种高电压非对称MXene基芯片式微型超级电容器
近年来，随着物联网技术和无线通信技术的逐渐成熟，各种无线传感器件、便携和可穿戴电子设备得到了快速的发展。同时，也对储能装置提出了更高的要求。超级电容器作为一种介于电池与传统电容器之间的新型储能装置，具有循环寿命长、充放电速率快、环保、功率密度高、安全性高等优点，最有希望集成在上述器件与电子设备中。然而，电压窗口低和能量密度低的问题，始终限制着它的进一步应用。同时，MXene作为一种新型的二维材料，独特的层状结构赋予其良好的导电性和倍率性能，已广泛应用于储能领域的研究中。然而，MXene基芯片式微型超级电容器还处于初期的研究中。由于MXene在过高的正电位会产生极化的现象，导致器件的内阻升高直至最终失效，这也是MXene基芯片式微型超级电容器一直受限于电压窗口过窄的原因。因此，提高MXene基芯片式微型超级电容器的电压窗口，才能更有效地储存能量，拓宽其应用范围。
【成果简介】
近日，西南交通大学的杨维清教授团队通过一种切割-喷涂的方法，采用非对称的结构设计，成功研制出一种基于MXene的高电压芯片式微型超级电容器。通过非对称结构设计，避免Ti3C2Tx MXene电极材料在过高的正电位产生极化从而导致材料的失效，单个器件在水系电解液中具有高达1.6 V的电压窗口，并且表现出7.8 mF cm-2和36 F cm-3的高面积和体积比电容，在10000次循环后，仍具有超过91.4 %的容量保持率，在100 mW cm−3的功率密度下仍保持3.5 mWh cm−3的能量密度。相关成果以“High-voltage asymmetric MXene-based on-chip micro-supercapacitors” 发表于Nano Energy期刊上，硕士研究生谢岩廷为第一作者，青年教师张海涛副教授和杨维清教授为共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金、四川省科技厅支撑计划项目以及中央高校基础研究经费等项目的支持。
【图文导读】
图1. 高电压芯片式MXene基MSCs的设计与构筑。
(a) 芯片式MSCs的内部结构和工作原理示意图；(b) 活性炭（AC）正极和MXene负极电极材料在三电极装置中10 mVs-1扫速下的CV曲线。
图2. 切割-喷涂的制备方法在硅片上制备高电压MXene基芯片式MSCs示意图。
图3. 高电压芯片式MXene基MSCs的微结构与电极材料组分分析。
(a) 高电压芯片式MXene基MSCs的实物图；(b) Ti3C2Tx MXene粉末和喷涂在硅片上的MXene的拉曼光谱；(c) Ti3C2Tx MXene粉末和喷涂在硅片上的MXene的XRD图谱；(d) 芯片式MSCs叉指指间间隙的宽度SEM图；(e-f) 正负电极的形貌和厚度截面SEM图。
图4. 单个高电压芯片式MXene基MSCs的电化学性能。
(a) 从5 到 200 mV s-1扫速下的CV曲线；(b) 在100 μA cm-2下对称型芯片式MSCs和非对称型芯片式MSCs的GCD曲线对比；(c) Nyquist图和拟合等效电路图；(d) 不同电流密度下的GCD曲线；(e) 计算得出的面电容值；(f) 器件的Ragone图。
图5. 排列单个高电压芯片式MXene基MSCs。
(a) MSCs三个串联和四个并联在直径为3.5英寸的硅片上；(b) 20 mV s-1扫速下的CV曲线；(c) 20 μA cm-2下两个单个、两个串联和两个并联MSCs的GCD曲线；(d) 两个串联的芯片式MSCs可以点亮一个商用LED灯；(e) 400 μA cm-2下的循环稳定性（插图：不同循环周数下的CV曲线）。
【小结】
研究者通过一种切割-喷涂的方法，采用非对称的结构设计，成功研制出一种基于MXene的高电压芯片式微型超级电容器。非对称结构设计，避免了Ti3C2Tx MXene在过高的正电位产生极化从而导致材料的失效，使得单个器件在水系电解液中具有高达1.6 V的电压窗口。这项工作为MXene基微型超级电容器在芯片式电子器件和便携式电子设备中的集成与应用提供了新的思路和策略。
【论文链接】
High-voltage asymmetric MXene-based on-chip micro-supercapacitors. Nano Energy (2020): 104928.
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