MXene封裝活性炭作為高性能超電柔性電極

近年來,柔性超電容器由於能夠滿足現代可穿戴設備和便攜式電子設備的需求而引起瞭極大的興趣。制造柔性超級電容器的關鍵挑戰之一是制造具有優異機械柔性的電極。盡管各種碳材料如活性碳纖維、碳納米管、碳氣凝膠、碳化碳和石墨烯都被提議作為超級電容器的電極材料,但活性碳(ACs)是最常用的,因為它們具有比表面積大、孔隙大小可調節等特性。

然而,用AC粉末制造電極需要聚合物粘合劑,例如聚四氟乙烯(PTFE)等,其通常占據電極質量的10-25%而沒有太多的電容貢獻,從而降低瞭器件的能量密度。而且,聚合物粘合劑是電絕緣體,由於電阻增加,這對於超級電容器的功率密度也不利,因此AC電極需要少量的導電添加劑以增加導電性。且由於粘結劑的剛性,通常采用柔性基底來增加柔性。

傳統的柔性基材主要是碳基質(包括石墨烯和碳納米管)、紡織品、海綿等。MXenes包括2D過渡金屬碳化物和氮化物,具有高導電性和柔性,它們可以與石墨烯競爭作為電池和超級電容器中使用的柔性基板。

【成果簡介】

近日,北京化工大學徐斌教授和吉林大學Yury Gogotsi教授課題組報告瞭一種新穎的策略,將2D的Ti3C2Tx MXene基材料作為一種柔性導電粘合劑,從而在有機電解質中為超級電容器制造出MXene鍵合柔性碳電極。在這個柔性電極中,AC顆粒被封裝在MXene層之間。在這種獨特的結構佈局中,MXene層提供瞭柔性,這對形成柔性電極至關重要,並構建瞭一個3D導電網絡以促進電子傳輸。交流粒子擴大瞭MXene層之間的距離,從而確保離子和電解質易於滲透。由此制備的柔性AC/MXene電極在有機電解質中表現出高電容和優異倍率性能。該研究成果發表於能源頂級期刊ACS Energy Letters。

MXene封裝活性炭作為高性能超電柔性電極

【圖文解析】

MXene封裝活性炭作為高性能超電柔性電極

圖2.不同AC/MXene比例和AC-PVDF在1M Et4NBF4/AN中電化學性能;(a)10mV/s時CV曲線;(b)100mA/g時GCD曲線;(d)交流阻抗和等效電路

MXene封裝活性炭作為高性能超電柔性電極

本文使用2D Ti3C2Tx MXene作為基底材料,合成AC/MXene作為超級電容器柔性電極,然後進行電化學表征,進一步證明瞭MXene基活性炭材料作為柔性電極並用於高性能超級電容器的可能性:

MXene基底在電極材料中扮演多重角色,其中該納米片可以提供優異的機械柔韌性和導電性,使得電極材料具有優異的倍率性能;

AC顆粒具有極大比表面積和獨特的結構,其被封裝在MXene層之間,可以提供一定的比電容;

不同AC/MXene比例中,AC/MXene-2:1柔性電極具有優異的電化學性能,在1M Et4NBF4/AN有機電解質中,在0.1A/g時,比電容高達126F/g,且在100A/g時,電容保持率仍有57.9%。

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