吉林大学高宇Nano Lett：用于全固态柔性超级电容器的金属离子诱导多孔MXene电极

导读

超级电容器因其优异的循环使用寿命和高功率密度，在日常生活中应用广泛，但其能量密度较低，无法满足一些需要长时间供能的电子器件。此外，一些可穿戴设备和便携式装置的兴起，对供能器件的柔性提出了新的要求。为了在提供高能量密度和功率密度的同时，实现柔韧性与灵活性，需要开发新的材料和设计新的器件结构。MXene是一种二维过渡金属碳氮化合物，因其独特的二维层状结构、优异的导电性和亲水性，在储能领域得到了广泛的应用。然而，MXene片层之间存在较大的范德华力，导致其相互堆叠，层间距减小，阻碍了离子的进入，降低了材料的电化学性能。因此，设计具有较大层间距和柔性的MXene电极对于提高超级电容器的电学和力学性能至关重要。

成果掠影

近日，吉林大学高宇教授及其合作者在国际著名期刊纳米快报（Nano Letters）上发表了基于MXene基多孔电极全固态柔性超级电容器的最新研究“Metal Ion-Induced Porous MXene for All-Solid-State Flexible Supercapacitors”，该工作采用乙酸盐对MXene进行处理，使得MXene片层发生膨胀，并形成多孔结构，较大的层间距有利于离子在层间快速扩散，而多孔结构则增强了离子在垂直于片层的方向上的移动，从而提高了材料的插层赝电容。该多孔电极在100 A/g的高电流密度下，具有超十万次的循环性能。

核心创新点

该工作通过一步处理法，在MXene制备过程中加入乙酸盐，阳离子的嵌入同时扩大了层间距，并通过分解纳米片形成多孔结构，层间距的扩大促进了离子的横向迁移，多孔结构则提升了离子的纵向迁移。

数据概览

图1. MXene多孔电极的制备过程和微观结构表征。 © American Chemical Society

a）电极的制备流程示意图

b-c）MXene材料的高分辨率TEM图像

d-e）MXene材料的SEM图像

f-i）MXene材料的EDS能谱图

图2. 不同方法制备的MXene电极的表征对比。  © American Chemical Society

a）不同方法制备的MXene电极的XRD图像

b-c）不同方法制备的MXene电极的XPS图像

c）不同方法制备的MXene电极的孔隙分布对比

图3. MXene多孔电极的电化学性能测试。  © American Chemical Society

a）MXene电极在不同扫速下的CV曲线

b）MXene电极在不同电流密度下的GCD曲线

c）不同MXene电极在不同扫速下的比容量变化对比

d）不同MXene电极在不同电流密度下的比容量变化对比

e）MXene电极的容量变化和容量保持率与循环次数之间的关系

图4. 乙酸盐对MXene电极处理的机理分析。  © American Chemical Society

a）乙酸盐处理前后的MXene电极的XRD图像对比

b-c）乙酸盐处理前后的MXene电极的原位XRD图像对比

d）第四圈时，乙酸盐处理后的MXene电极的原位XRD图像

图5. 全固态对称超级电容器的电化学性能。 © American Chemical Society

a）超级电容器器件示意图

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）超级电容器在不同电流密度下的容量变化

e）高扫速下，乙酸盐处理前后的电极制备的超级电容器的CV曲线对比

f）不同工作的能量密度与功率密度的对比

g）乙酸盐处理前后的电极制备的超级电容器的循环性能对比

成果启示

该工作提出了一种简单的方法来控制MXene材料的表面形貌和化学性质，通过加入乙酸盐对MXene材料进行处理，不仅扩大了MXene片层的层间距，还在电极表面形成多孔结构，在进一步提升电极电化学性能的同时，还提升了电极的柔性。以该电极制备的全固态对称超级电容器具有38.4 Wh/cm³的能量密度和55.3 W/cm³的功率密度。基于其简单的制造工艺和优异的电化学性能，该工作为MXene性能调控提供了另有前途的方法。

文献链接

Nano Letters：Metal Ion-Induced Porous MXene for All-Solid-State Flexible Supercapacitors

DOI：10.1021/acs.nanolett.2c04320

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