华科大徐鸣教授Nat. Commun.：用于高效电化学储能的MXene/绳结结构碳纳米管复合电极

导读

电容式电化学储能装置中的电能存储机理为电极表面的活性位点吸附电解液中的离子。只有离子可以接触到的电极区域才能实现电荷的存储。因此，离子可及性会影响储能器件的电容容量。当设备在高倍率或低温环境下运行时，特别是在有机电解液中，这种影响更为明显。

提高有机电解液中离子可及性的方法通常有两类，一类是改变电解液的配方，另一类则是优化电极结构。MXene 是一种常见的电极材料。优化MXene电极的常见方法有通过化学刻蚀在电极表面引入孔隙、通过引入插层材料增加MXene的层间距。这些方法虽然提高了电极的离子可及性，但其本质上并未解决MXene的堆叠问题。在垂直于MXene电极表面的方向上，离子传输依旧非常曲折缓慢。这也极大的限制了其在低温环境中的应用和高倍率性能。

成果掠影

华中科技大学徐鸣教授和美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授及其合作者在自然通讯（Nature Communications）期刊上发表了基于MXene复合电极的亮眼研究“Maximizing ion accessibility in MXene-knotted carbon nanotube composite electrodes for high-rate electrochemical energy storage”，该工作首次提出了构建3D式MXene电极，打破MXene片层之间的堆叠，并引入一种特殊的具有绳结结构的碳纳米管作为骨架，稳定MXene电极。以该电极构建的超级电容器在10000次循环后容量没有损失，且首次将MXene基超级电容器的应用温度拓展到零下60℃。该超级电容器在-30℃下能量密度高达59 Wh/kg，功率密度为9.6 kW/kg。

核心创新点

该工作为打开MXene片层之间的堆叠，并稳定MXene电极的3D结构，合成了一种具有特殊绳结结构的碳纳米管，这种绳结结构的碳纳米管由柔性薄碳纳米管与刚性厚碳纳米管交织形成，其在构建MXene电极时，可保持稳定的骨架结构，为离子进入提供了更大的、更开放的空间。

数据概览

图1. MXene/绳结结构碳纳米管复合电极的设计。© 2022 The authors

a）绳结结构的碳纳米管的合成示意图

b）MXene/绳结结构碳纳米管复合电极的结构示意图。

图2. MXene/绳结结构碳纳米管复合电极的结构表征。 © 2022 The authors

a）绳结结构碳纳米管的SEM图像

b）绳结结构碳纳米管的TEM图像

c）MXene/绳结结构碳纳米管复合电极的顶部SEM图像

d）MXene/绳结结构碳纳米管复合电极的横截面SEM图像

e）复合电极的横截面高倍率SEM图像

f）绳结结构碳纳米管撑开MXene片层的示意图

g）不同绳结结构碳纳米管含量的MXene电极的结构对比

图3. 有机电解液中MXene/绳结结构碳纳米管复合电极的电化学性能测试。 © 2022 The authors

a）不同碳纳米管含量的电极的倍率性能

b）不同扫速下碳纳米管含量与电极容量之间的关系

c）MXene/绳结结构碳纳米管复合电极的电化学阻抗谱

d）不同扫速的CV曲线

e）峰值电流与扫速之间的关系

f）高扫速下电极的循环性能和库伦效率

图4. 非对称超级电容器的电化学性能测试。 © 2022 The authors

a）超级电容器电极的CV测试

b）超级电容器在不同扫速下的CV曲线

c）超级电容器在不同电流密度下的GCD曲线

d-e）超级电容器在不同温度，不同扫速下的CV曲线

f）超级电容器的容量保持率与工作温度的关系

成果启示

该工作开发了一种开放式3D MXene/绳结结构碳纳米管复合电极，显著提高了倍率性能。该特殊结构的碳纳米管形成的骨架，撑开了MXene片层的间距，并阻碍了其再堆叠，有效降低了电解液离子传输的曲折程度，提高了离子可及性。基于该电极构建的超级电容器工作温度首次拓展到了零下60℃。该工作也为构建3D开放式MXene基电极和设计低温超级电容器提供了新的思路。

文献链接

Nature Communications：Maximizing ion accessibility in MXene-knotted carbon nanotube composite electrodes for high-rate electrochemical energy storage

DOI：10.1038/s41467-020-19992-3

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