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西南交大楊維清教授團隊Nano Energy：一種高電壓非對稱MXene基芯片式微型超級電容器

來源：科學10分鐘時間：2020-12-02 14:42:05 瀏覽：5122次

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研究成果

近日，西南交通大學的楊維清教授團隊通過一種切割-噴涂的方法，采用非對稱的結(jié)構(gòu)設計，成功研制出一種基于MXene的高電壓芯片式微型超級電容器。通過非對稱結(jié)構(gòu)設計，避免Ti₃C₂T_xMXene電極材料在過高的正電位產(chǎn)生極化從而導致材料的失效，單個器件在水系電解液中具有高達1.6 V的電壓窗口，并且表現(xiàn)出7.8 mF cm^-2和36 F cm^-3的高面積和體積比電容，在10000次循環(huán)后，仍具有超過91.4 %的容量保持率，在100 mW cm^?3的功率密度下仍保持3.5 mWh cm^?3的能量密度。因此，該工作為MXene基微型超級電容器在芯片式電子器件和便攜式電子設備中的集成與應用提供了新的思路和策略。該工作近期發(fā)表在Nano Energy上（Nano Energy. 2020, 104928）。

研究背景

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通信技術(shù)的逐漸成熟，各種無線傳感器件、便攜和可穿戴電子設備得到了快速的發(fā)展。同時，也對儲能裝置提出了更高的要求。超級電容器作為一種介于電池與傳統(tǒng)電容器之間的新型儲能裝置，具有循環(huán)壽命長、充放電速率快、環(huán)保、功率密度高、安全性高等優(yōu)點，最有希望集成在上述器件與電子設備中。然而，電壓窗口低和能量密度低的問題，始終限制著它的進一步應用。同時，MXene作為一種新型的二維材料，獨特的層狀結(jié)構(gòu)賦予其良好的導電性和倍率性能，已廣泛應用于儲能領(lǐng)域的研究中。然而，MXene基芯片式微型超級電容器還處于初期的研究中。由于MXene在過高的正電位會產(chǎn)生極化的現(xiàn)象，導致器件的內(nèi)阻升高直至最終失效，這也是MXene基芯片式微型超級電容器一直受限于電壓窗口過窄的原因。因此，提高MXene基芯片式微型超級電容器的電壓窗口，才能更有效地儲存能量，拓寬其應用范圍。

圖文導讀

高電壓芯片式MXene基MSCs的設計與構(gòu)筑

圖1. 高電壓芯片式MXene基MSCs的設計與構(gòu)筑。

(a) 芯片式MSCs的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖；(b) 活性炭（AC）正極和MXene負極電極材料在三電極裝置中10 mVs^-1掃速下的CV曲線。

切割-噴涂的制備方法在硅片上制備高電壓MXene基芯片式MSCs示意圖

圖2. 切割-噴涂的制備方法在硅片上制備高電壓MXene基芯片式MSCs示意圖。

高電壓芯片式MXene基MSCs的微結(jié)構(gòu)與電極材料組分分析

圖3. 高電壓芯片式MXene基MSCs的微結(jié)構(gòu)與電極材料組分分析。

(a) 高電壓芯片式MXene基MSCs的實物圖；(b) Ti₃C₂T_xMXene粉末和噴涂在硅片上的MXene的拉曼光譜；(c) Ti₃C₂T_xMXene粉末和噴涂在硅片上的MXene的XRD圖譜；(d) 芯片式MSCs叉指指間間隙的寬度SEM圖；(e-f) 正負電極的形貌和厚度截面SEM圖。

單個高電壓芯片式MXene基MSCs的電化學性能

圖4. 單個高電壓芯片式MXene基MSCs的電化學性能。

(a) 從5 到 200 mV s^-1掃速下的CV曲線；(b) 在100 μA cm^-2下對稱型芯片式MSCs和非對稱型芯片式MSCs的GCD曲線對比；(c) Nyquist圖和擬合等效電路圖；(d) 不同電流密度下的GCD曲線；(e) 計算得出的面電容值；(f) 器件的Ragone圖。

排列單個高電壓芯片式MXene基MSCs

圖5. 排列單個高電壓芯片式MXene基MSCs。

(a) MSCs三個串聯(lián)和四個并聯(lián)在直徑為3.5英寸的硅片上；(b) 20 mV s^-1掃速下的CV曲線；(c) 20 μA cm^-2下兩個單個、兩個串聯(lián)和兩個并聯(lián)MSCs的GCD曲線；(d) 兩個串聯(lián)的芯片式MSCs可以點亮一個商用LED燈；(e) 400 μA cm^-2下的循環(huán)穩(wěn)定性（插圖：不同循環(huán)周數(shù)下的CV曲線）。

研究小結(jié)

研究者通過一種切割-噴涂的方法，采用非對稱的結(jié)構(gòu)設計，成功研制出一種基于MXene的高電壓芯片式微型超級電容器。非對稱結(jié)構(gòu)設計，避免了Ti₃C₂T_xMXene在過高的正電位產(chǎn)生極化從而導致材料的失效，使得單個器件在水系電解液中具有高達1.6 V的電壓窗口。這項工作為MXene基微型超級電容器在芯片式電子器件和便攜式電子設備中的集成與應用提供了新的思路和策略。

團隊介紹

楊維清，西南交通大學材料科學與工程學院教授/博導，四川省第十二屆政協(xié)委員，四川省杰出青年，2007和2011年分別獲得四川大學碩士和博士學位，2011-2014年先后在電子科技大學和美國佐治亞理工學院從事博士后，2014年4月引進到西南交通大學材料學院教授博導，主要從事納米能源材料與功能器件的應用基礎(chǔ)研究。近年來，在Adv. Mater. (IF: 25.809), ACS Nano (IF: 13.903)，Nano Lett. (IF: 12.279), Adv. Funct. Mater. (IF: 15.621) 等國際著名刊物上發(fā)表SCI收錄論文共計150余篇，其中影響因子IF>10論文31篇，ESI高被引論文11篇，引用4900余次(Google Scholar)。主持國家自然基金、四川省杰出青年基金項目、教育部留學回國人員啟動基金項目等多項省部級項目，擔任科技部重大研發(fā)計劃項目會評專家和國家科技獎評審專家。申請專利40項(已授權(quán)18余項)。所做的工作被美國知名網(wǎng)站美國國家自然基金委（NSF)、Newscientist，CCTV等近20家媒體專題報道，受到法國路透社，中國科學網(wǎng)、中國儲能網(wǎng)、中國網(wǎng)、新華網(wǎng)、人民網(wǎng)、鳳凰網(wǎng)等多家國內(nèi)外媒體關(guān)注。也是Newscientists（科技媒體世界排名第一，見百度）首次報道西南交通大學的科研工作。相關(guān)科研成果在北京科技展和中關(guān)村科技展上，受到國務院副總理劉延東、中科院院長白春禮院士和中科院北京分院院長何巖院士的高度評價，受邀參加中國國際廣播電臺名人坊節(jié)目專訪。

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