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MXene封装活性炭作为高性能超电柔性电极

【引言】

近年来,柔性超电容器由于能够满足现代可穿戴设备和便携式电子设备的需求而引起了极大的兴趣。制造柔性超级电容器的关键挑战之一是制造具有优异机械柔性的电极。尽管各种碳材料如活性碳纤维、碳纳米管、碳气凝胶、碳化碳和石墨烯都被提议作为超级电容器的电极材料,但活性碳(ACs)是最常用的,因为它们具有比表面积大、孔隙大小可调节等特性

然而,用AC粉末制造电极需要聚合物粘合剂,例如聚四氟乙烯(PTFE)等,其通常占据电极质量的10-25%而没有太多的电容贡献,从而降低了器件的能量密度。而且,聚合物粘合剂是电绝缘体,由于电阻增加,这对于超级电容器的功率密度也不利,因此AC电极需要少量的导电添加剂以增加导电性。且由于粘结剂的刚性,通常采用柔性基底来增加柔性。

传统的柔性基材主要是碳基质(包括石墨烯和碳纳米管)、纺织品、海绵等。MXenes包括2D过渡金属碳化物和氮化物,具有高导电性和柔性,它们可以与石墨烯竞争作为电池和超级电容器中使用的柔性基板。

 

【成果简介】

近日,北京化工大学徐斌教授和吉林大学Yury Gogotsi教授课题组报告了一种新颖的策略,将2D的Ti3C2Tx MXene基材料作为一种柔性导电粘合剂,从而在有机电解质中为超级电容器制造出MXene键合柔性碳电极。在这个柔性电极中,AC颗粒被封装在MXene层之间。在这种独特的结构布局中,MXene层提供了柔性,这对形成柔性电极至关重要,并构建了一个3D导电网络以促进电子传输。交流粒子扩大了MXene层之间的距离,从而确保离子和电解质易于渗透。由此制备的柔性AC/MXene电极在有机电解质中表现出高电容和优异倍率性能。该研究成果发表于能源顶级期刊ACS Energy Letters。

MXene封装活性炭作为高性能超电柔性电极

AC/MXene柔性电极制备示意图

 

【图文解析】

MXene封装活性炭作为高性能超电柔性电极

图1.(a)AC/MXene-2:1柔性薄膜图; AC/MXene-1:1(b), 2:1(c), 4:1(d)SEM图;AC/MXene-2:1柔性薄片高倍SEM(e)和EDS mapping(f)

MXene封装活性炭作为高性能超电柔性电极

图2. 不同AC/MXene比例和AC-PVDF在1M Et4NBF4/AN中电化学性能;(a)10mV/s时

CV 曲线;(b)100mA/g时GCD 曲线;(d)交流阻抗和等效电路

MXene封装活性炭作为高性能超电柔性电极

图3. AC/MXene-2:1柔性电极的各种电化学性能.

 

【小结】

本文使用2D Ti3C2Tx MXene作为基底材料,合成AC/MXene作为超级电容器柔性电极,然后进行电化学表征,进一步证明了MXene基活性炭材料作为柔性电极并用于高性能超级电容器的可能性:

  1. MXene基底在电极材料中扮演多重角色,其中该纳米片可以提供优异的机械柔韧性和导电性,使得电极材料具有优异的倍率性能

  2. AC颗粒具有极大比表面积和独特的结构,其被封装在MXene层之间,可以提供一定的比电容

  3. 不同AC/MXene比例中,AC/MXene-2:1柔性电极具有优异的电化学性能,在1M Et4NBF4/AN有机电解质中,在0.1A/g时,比电容高达126F/g,且在100A/g时,电容保持率仍有57.9%

 

Lanyong Yu, Longfeng Hu, Babak Anasori, Yi-Tao Liu, Qizhen Zhu, PengZhang, Yury Gogotsi, and Bin Xu; MXene-Bonded Activated Carbon as a Flexible Electrode for High-Performance Supercapacitors; ACS Energy Lett.,2018, DOI:10.1021/acsenergylett.8b00718

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