重磅！西北工业大学在全固态对称超级电容器研究中取得新进展

成果简介

由二维MXene材料制成的独立和可弯曲薄膜由于其高度的灵活性、结构稳定性和高导电性，已显示出作为储能器件电极的巨大潜力。然而，MXene板不可避免重新堆叠很大程度上限制了其电化学性能。 本文，西北工业大学材料学院党阿磊、李铁虎教授等研究人员在《ACS Appl. Energy Mater.》期刊 发表名为“Flexible Ti3C2Tx/Carbon Nanotubes/CuS Film Electrodes Based on a Dual-Structural Design for High-Performance All-Solid-State Supercapacitors”的论文， 研究通过交替过滤Ti3C2Tx/碳纳米管（CNT）杂化和CuS分散的逐层（LbL）方法，通过双重结构设计制备了具有三明治状结构的膜电极。

引入的碳纳米管和赝电容CU提供了丰富的活性位点，以增加电极的存储容量。增大的层间距有利于电解质离子的传输。因此，厚度为17μm的优化Ti3C2Tx/CNTs/CuS-LbL-15薄膜电极（1.7 mg/cm3）在聚乙烯醇（PVA）/H2SO4凝胶电解质中仍表现出1 a/g的高重量电容（336.7 F/g）和体积电容（572.4 F/cm3），这两者在过去的报告中在相同厚度下都是最高的。同时，该样品在电流密度为9A/g时表现出令人印象深刻的速率能力，57%的电容保持率，在高速率为5a/g的5000次循环后保持99.6%的初始容量的超稳定循环，以及在不同弯曲状态下的良好柔韧性。此外，全固态对称超级电容器在340 W/L的功率密度下显示出12.72 Wh/L的能量密度。这项工作为组装高性能储能器件的Ti3C2Tx/CNT和CuS混合电极提供了有效途径。

图文导读

图1. (a) LbL法制备夹层状Ti3C2Tx /CNTs/CuS薄膜的工艺示意图。(b)在直径为5mm的玻璃棒上包裹独立的柔性 Ti3C2Tx /CNTs/CuS薄膜的数字图像，以及 (c) 用手折叠的相应平面状薄膜。

图2. Ti3C2Tx /CuS-LbL-5 (a) 和Ti3C2Tx /CuS-LbL-15 (b) 薄膜横截面的SEM图像及其对应的 Ti 和铜元素。(c) 样品XRD光谱的比较。（d）和（e）分别是（c）在2θ的5-10和26-35 范围内的放大图。(f) 样品的相应拉曼光谱。

图3. (a) Ti3C2 Tx基薄膜电极全固态超级电容器示意图。(b) 纯Ti3C2 Tx、Ti3C2 Tx /CuS-LbL-5 和Ti3C2 Tx/CuS-LbL-15薄膜在5 mV扫描速率下的CV曲线比较/秒。(c) Ti3C2 Tx/CuS-LbL-15在1至9 A/g 的不同电流密度下的恒电流充电/放电 (GCD) 曲线。(d) Ti3C2 Tx/CuS-LbL-15 的CV曲线比较和Ti3C2 Tx/CuS-hybrid-15在5mV/s 的扫描速率下和 (e) 在1A/g电流密度下的相应GCD曲线。

图4、电化学性能

图5. (a) 组装后的超级电容器在不同弯曲状态下的光学图像。(b) Ti3C2 Tx/CNTs/CuS-LbL-5薄膜在5 mV/s的扫描速率下不同弯曲角度的CV曲线。(c) 与之前报道的作品相比，超级电容器的体积功率和能量密度图。

小结

综上所述，采用 LbL 方法制备了具有夹层结构的可弯曲和独立的 Ti3C2 Tx /CNTs/CuS 复合膜电极，其中 Ti3C2 Tx/CNTs 杂化片材和CuS活性材料分别为通过过滤交替堆积。这项工作为全固态SCs设计高性能电极提供了一种有效的方法，在柔性和可穿戴电子产品中具有巨大的应用潜力。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsaem.2c01738

图片来源：Drexel University

是时候让插入充电器充电成为历史了，科学家们正在开发一种新的电极设计，可以用几秒钟而不是几个小时来给电池充电。

研究人员表示，这不仅能解决手机充电的痛苦，还能解决阻碍电动汽车市场的主要问题之一。

早前的研究中，研究人员已经将超级电容器用作便携式电子设备的储能装置。超级电容在大爆炸中释放能量，因此在为该技术提供动力时有着惊人的潜力。

而超级电容的问题在于，它们只能用于快速充电/放电周期，而不适用于长期的储能。

现在，来自德雷克塞尔大学的一个研究小组使用一种名为MXene（即二维过渡金属碳化物）的材料，将超级电容器和传统电池的性能结合在一起。

“本文驳斥了被广泛接受的教条，即化学电荷存储，它常用于电池中，总是比用于双层电容器的物理存储慢得多，也被称为超级电容器，”来自于德雷克塞尔大学工程系的首席研究员Yury·Gogotsi说道。

“我们进行了实验，在几十毫秒内对极薄的MXene电极充电。MXene具有非常高的电子导电性。这为超快能源存储设备的发展铺平了道路，在几秒钟内就能被充电和排放，除此之外，它比传统的超级电容器储存的能量要多得多。”

MXene是一种扁平的纳米材料，看起来像三明治：由氧化物作为上下层的“面包”组成，中间由导电碳和金属填充。当它们被制造出来的时，MXene就像薯片一样层叠。

虽然MXene具有良好的导电性，但其薯片式的结构制造了一个屏障，使离子，即电荷的化学载体，在电池中扩散。

对于储存电荷的电池来说，离子在被称为“氧化还原活性位点”的端口进出。端口越多，则电池能储存的能量就越多，更重要的是，电池也必须允许离子自由移动，否则就无法到达端口。

研究人员为了使离子能在MXene中的自由运动，对结构进行了一些研究。

图片来源：德雷克塞尔大学

科学家改变了MXene的结构，将其与一种水凝胶结合在一起，将薯片堆栈转变成更像瑞士奶酪的结构，让离子可以自由流动。

“在传统的电池和超级电容器中，离子在前往电荷存储端口的方向上有一条弯曲的路径，这不仅会减慢所有的速度，而且还会导致几乎没有离子能以快速充电的速度到达目的地，”团队中的其中一个成员Maria Lukatskaya说道。

“理想的电极结构是在离子在往端口移动时，就像是在通过多车道的高速公路，而不是单车道公路。我们的大孔电极设计达到了这个目标，实现了在几秒钟或更短的时间内快速充电。”

值得一提的是，虽然这项研究看起来很有前途，但目前还不清楚电池将如何在车辆中使用。毫无疑问的是，这项研究最终会在汽车和手机上出现，它将彻底改变电池的使用方式。

“如果我们开始使用低维和电子导电材料作为电池电极，我们可以使电池工作的速度比现在快得多。”Gogotsi表示，“最终，对这一事实的认识将会让我们的汽车、笔记本电脑和手机电池能够以更高的速度充电——在几秒钟或几分钟以内，而不是几个小时。”

我们简直等不及要用用这个电池了！

蝌蚪五线谱编译自sciencealert，译者 土豆同学，转载须授权

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