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Nano Lett. ┃ 基于褶皱状MXene电极的超大拉伸、高面积比容量超级电容器

英文原题:Crumpled MXene Electrodes for Ultrastretchable and High-Area-Capacitance Supercapacitors

通讯作者:孔德圣,南京大学

作者:Shuxuan Feng(封淑萱), Xin Wang(王昕), Menglu Wang(王梦璐), Chong Bai (柏冲), Shitai Cao(曹世泰),Desheng Kong (孔德圣)


为满足电子器件与人体无缝集成的需求,可拉伸电子技术应运而生。当前,新型的电子材料和制造方法可加工出各类具有优异拉伸性的电子器件,例如贴皮传感器、可穿戴显示器、智能人机界面等,在弯曲、拉伸、扭转和三维变形过程中保持其稳定的性能。诸如电池、超级电容器和太阳能电池等储能器件则是构建整套可拉伸电子系统的关键部分。超级电容器凭借着其快速的充电/放电过程、优异的循环稳定性和简便的制造工序,成为可拉伸储能器件的主流选择。在电极材料方面,二维过渡金属碳化物和氮化物MXene,凭借其高电导率、溶液加工性和高体积电容等特性,成为制备超级电容器的理想电极材料。

图1. 可拉伸MXene电极的制备及表征


近日,南京大学孔德圣教授课题组在Nano Letters 上发表了基于褶皱MXene材料的大拉伸、高面积比容量电极的研究。利用预拉伸工艺及对二维MXene材料的调控,制备出了具有~900 mF/cm2高面积比容量、耐800%面积应变的高性能可拉伸电极。

图2. MXene薄膜厚度与电机械和电化学性能之间的关系


本研究中,通过对0.5~7 μm厚度范围内MXene薄膜的表面形貌、电机械和电化学性能的表征测试发现,薄膜的厚度对其电机械稳定性能产生了较大影响。由于真空抽滤工艺和材料本身的限制,抽滤得到的MXene薄膜表面凹凸粗糙,随着厚度的增加,粗糙度稳定在1.2 μm。因此,厚度小于1.2 μm的薄膜在拉伸疲劳测试中极易碎裂,导致电机械性能不稳定;在3 μm厚度时,可拉伸电极电机械性能保持较好;厚度再增大时,薄膜刚度的影响变大,易在回缩过程破碎。不同厚度薄膜1000次拉伸-回缩测试前后的电化学性能也进一步验证了厚度对可拉伸电极性能的影响。

图3. 可拉伸MXene电极的电化学性能表征


系统的电化学测试表明,3 μm厚的MXene电极不仅具有∼900 mF cm-2的高容量、优异的循环性能,同时在800%的巨大面积应变下可保持稳定的电化学性能。

图4. 可拉伸对称超级电容器在静态和动态机械形变下的电化学性能


采用3 μm厚的MXene薄膜电极和1 M H2SO4/PVA 凝胶电解质组装的全固态对称超级电容器,其具有~470 mF cm-2的高比电容、 800% 面积静态和动态应变下的超高拉伸性和优异的电化学稳定性。


优化的 MXene电极在大形变、反复拉伸条件下可有效的保持结构完整性、优异的导电性和电化学性能。构建超拉伸 MXene 电极的关键因素是对抽滤膜的厚度进行精细调控,通过测试筛选获得优化的机械性能,可作为基于二维纳米材料构建可拉伸电极材料的通用方法。


相关论文发表在Nano Letters 上,南京大学博士研究生封淑萱为文章的第一作者,孔德圣教授为共同通讯作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Crumpled MXene Electrodes for Ultrastretchable and High-Area-Capacitance Supercapacitors

Shuxuan Feng, Xin Wang, Menglu Wang, Chong Bai, Shitai Cao, and Desheng Kong*

Nano Lett., 2021, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02071

Publication Date: September 8, 2021

Copyright © 2021 American Chemical Society


(本稿件来自ACS Publications)


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