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

mxene容易氧化。

MXene是一种二维材料MXene是美国德雷赛尔大学的研究成果，与传统电池不同该材料为离子的运动提供了更多的通道大幅提高了离子运动的速度。

简介

MXene是材料科学中的一类二维无机化合物这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物氮化物或碳氮化物构成，它最初于2011年报道由于MXene材料表面有羟基或末端氧它们有着过渡金属碳化物的金属导电性。

从形态上来看MXene就像是金属氧化物中间被压扁的水凝胶，它导电性能很强完全可以替代电线中的铜和铝这样一来离子移动时阻力会小很多。

通过HF蚀刻制备的合成的MXene具有类似手风琴形态它们是多层MXene（ML-MXene），或少于5层时称作薄层MXene（FL-MXene），由于MXene的表面可以接上官能团Mn+1XnTx（其中T为官能团，O、F、OH）可以按照通常的方式命名。

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