將MXene水凝膠重新組裝成柔性薄膜，打造緊湊型超級電容器
背景介紹
超級電容器是一種很有前途的電化學儲能裝置，因其高功率密度、可靠性和長循環壽命而備受推崇。考慮到對小型化智能電子產品和電動汽車的需求不斷增長，對于實際應用而言，超級電容器的體積能量密度與重量能量密度相比，是一個更重要的參數。在這種情況下，電極材料應具有高固有電容和高堆積密度。由于高贗電容和高密度，自支撐MXene薄膜有望用于緊湊的能量存儲。然而，由于密集結構引起的緩慢離子傳輸嚴重阻礙了它們的倍率性能。
成果簡介
鑒于此，天津大學陶瑩教授等人提出了一種構建具有可調多孔結構的MXene基柔性自支撐薄膜電極策略。將由3D結構化水凝膠分解的Ti3C2Tx微凝膠與不同質量比的單層Ti3C2Tx納米片重新組裝在一起，形成密集的微觀尺度的3D網絡和宏觀尺度的薄膜(RAMX膜)。通過密度和孔隙率的良好平衡，可以最大限度地提高所制備的薄膜的空間利用率，從而在2000 mV s-1的超高掃描速率下產生736 F cm-3的高體積電容。制備的超級電容器在0.83 kW L-1的功率密度下產生了40 Wh L-1的優異能量密度，并且即使功率密度達到41.5 kW L-1時仍可保持21 Wh L-1的能量密度，這是迄今為止報道的基于水性電解質的對稱式超級電容器的最高值。更有希望的是，重新組裝的薄膜可用作柔性超級電容器的電極，表現出優異的柔韌性和可集成性。相關論文成果以“Reassembly of MXene Hydrogels into Flexible Films towards Compact andUltrafast Supercapacitors”為題于2021年7月16日發表在Advanced Functional Materials上。
全文導讀
圖1所示：Ti3C2Tx膜、RAMX膜（重新組裝的MXene薄膜）和微凝膠膜的制備示意圖以及不同電極中離子傳輸的說明，其中Ti3C2Tx微凝膠是通過在GO的幫助下形成的Ti3C2Tx水凝膠的分解來制備得到。
圖2所示：RAMX薄膜的形貌和結構特征。a)Ti3C2Tx微凝膠的SEM圖像。b)RAMX-50%薄膜和c)Ti3C2Tx薄膜的橫截面SEM圖像。d)Ti3C2Tx薄膜、RAMX薄膜和微凝膠薄膜的XRD圖。e-f)Ti3C2Tx薄膜、RAMX薄膜和微凝膠薄膜的氮吸附/解吸等溫線和孔徑分布。g)薄膜的體積密度和比表面積與Ti3C2Tx微凝膠含量的關系。
圖3所示：Ti3C2Tx薄膜、RAMX薄膜和微凝膠薄膜的電化學性能。在a)20 mV s-1和 b)2000 mV s-1的掃描速率下收集的CV曲線。c)在10到2000 mV s-1范圍內的掃描速率下，根據CV曲線計算的電容保持率。d)不同微凝膠含量的薄膜在2000 mV s-1時的重量和體積電容。e)陽極（實心符號）和陰極（空心符號）峰值電流的對數與Ti3C2Tx薄膜和RAMX-50%薄膜的掃描速率對數的關系圖。f)在開路電壓下收集的奈奎斯特圖。
圖4所示：通過配對兩個相同的RAMX-50%薄膜制造的對稱式超級電容器的電化學性能。a)與基于Ti3C2Tx薄膜的器件相比的CV曲線。b)從GCD曲線計算的倍率性能。c)1000 mV s-1掃描速率下的循環穩定性。插圖顯示了第1次和第20000次循環的CV曲線。d)與之前報道的基于MXene的對稱超級電容器的Ragone圖比較。
圖5所示：具有PAM/H2SO4電解質的柔性超級電容器的制造和性能。a)器件結構示意圖和b)相應的數碼照片。c)柔性超級電容器在不同彎曲角度下的數碼照片及其d)在20 mV s-1掃描速率下對應的CV曲線。e)在電流密度為2 A g-1下串聯和并聯的兩個器件的GCD曲線。
總結
作者提出了一種獨特的組裝策略來生產由微凝膠和單獨的納米片組成的 MXene薄膜電極，這些電極平衡了孔隙率和密度，以在用于水性超級電容器時提供卓越的體積能力和超高倍率性能。組裝過程本質上是分散的Ti3C2Tx微凝膠和單層納米片在薄膜結構中的集成，單層納米片的分層排列形成了具有致密質地的膜結構，并且通過分解3D Ti3C2Tx水凝膠產生的分散良好的微凝膠結構在整個過程中引入了更多的孔隙率。當微凝膠的比例達到50%時，RAMX薄膜的倍率能力得到最大提高，這是由于引入了介孔，促進離子以可接受的密度通過電極傳輸。因此，RAMX-50%薄膜可以在2000 mV s-1的超高掃描速率下提供736 F cm-3的超高體積電容。此外，組裝的對稱超級電容器表現出優異的循環穩定性，在1000 mV s-1下超過20000次循環的電容保持率為91.14%，在0.83 kW L-1的功率密度下提供40 Wh L-1的高能量密度，在41.5 kW L-1的高功率密度下，能量密度為21 Wh L-1。此外，作者制造了一個柔性超級電容器，其能夠承受各種彎曲角度而電容不會衰減，并且還展示了用于更高電壓或電流輸出的器件的集成。這項工作可能為構建靈活緊湊的需要超高功率輸出的下一代電子儲能設備鋪平了道路。
本信息源自互聯網僅供學術交流 如有侵權請聯系我們立即刪除
| 溫馨提示：蘇州北科納米供應產品僅用于科研，不能用于人體,不同批次產品規格性能有差異。網站部分文獻案例圖片源自互聯網，圖片僅供參考，請以實物為主，如有侵權請聯系我們立即刪除。 |
下一篇： 納米醫學產品1
