【背景介紹】

倍率性能的高低對(duì)于先進(jìn)電池來講是必不可少的一項(xiàng)性能指標(biāo)，尤其是應(yīng)用于需要快速充電的消費(fèi)電子或電動(dòng)汽車領(lǐng)域。然而，功率密度與能量密度是兩個(gè)相互獨(dú)立的參數(shù)，電池具有高的能量密度但伴隨著較低的功率密度，超級(jí)電容器能產(chǎn)生高功率密度的同時(shí)，能量密度會(huì)有大幅衰減。研發(fā)一種具有高能量密度兼?zhèn)涓吖β拭芏鹊膬?chǔ)能材料可以極大程度上促進(jìn)可穿戴電子的應(yīng)用。為了設(shè)計(jì)一種高功率密度的電池材料，電極材料的動(dòng)力學(xué)需要被優(yōu)化，可以根據(jù)C = αD/L2，其中D是材料的擴(kuò)散率，L是擴(kuò)散長(zhǎng)度，與材料的空間維度有關(guān)。根據(jù)上述關(guān)系式，提高倍率性能包括兩個(gè)基本的原則：1）設(shè)計(jì)具有高擴(kuò)散率的新材料；2）優(yōu)化電極材料的維度。二者相比，降低材料的維度是比較容易實(shí)現(xiàn)的方式，納米尺度的電極材料因其獨(dú)特的較短的離子/電子擴(kuò)散路徑展示出了較高的倍率性能。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，深圳大學(xué)Han Zhang教授與德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué) O.G. Schmidt教授報(bào)道了一種MnOx功能化處理的Ti3C2Tx?Mxene @CNTs復(fù)合薄膜電極（以Ti3SiC2為MAX相），得益于分層的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，該復(fù)合材料所組成的并聯(lián)納米電路不僅優(yōu)化了離子與電子的傳輸路徑，還解決了高電流限制的問題?？紤]到Mn基材料在鋅離子電池中的優(yōu)異性能，所制備的MnOx@Ti3C2Tx在水系鋅離子電池中展現(xiàn)出較高的容量的同時(shí)還具有杰出的倍率性能，當(dāng)電流密度擴(kuò)大100倍時(shí)，容量保留率達(dá)到50%左右。除此之外，MnOx@Ti3C2Tx與CNTs制備的薄膜可以作為一種無粘結(jié)劑柔性鋅離子電池的正極材料，具有良好的穩(wěn)定性。

該成果在線發(fā)表于國際著名材料學(xué)期刊 Advanced Functional Materials上: Nanoscale Parallel Circuitry Based on Interpenetrating Conductive Assembly for Flexible and High-Power Zinc Ion Battery。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 a) MnOx@Ti3C2Tx合成示意圖; b) 多層Ti3C2Tx與MnOx@Ti3C2Tx?的掃描電鏡圖像; d)MnOx@Ti3C2Tx的元素分布:Ti, Mn和C; MnOx@Ti3C2Tx?e)透射圖 f)高分辨透射圖。

圖2 MnOx@Ti3C2Tx的紅外光譜與Ti和Mn元素的XPS圖像。

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圖3 MnOx@Ti3C2Txa) 0.5 mV s-1?掃描速率下的循環(huán)伏安圖像; b) 不通電流密度下恒流充放電圖像; c) MnOx@Ti3C2Tx,d) MnO2, e) MnOx@分層Ti3C2Tx的倍率性能；f) MnOx@Ti3C2Tx?的能量密度與功率密度關(guān)系圖，包括對(duì)比數(shù)據(jù)。

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圖4 MnOx@Ti3C2Tx用于鋅離子電池性能的a) GITT測(cè)試圖; b) 不同掃描速率下的CV圖像; c) 正負(fù)極峰電流的b值與d) 容量貢獻(xiàn), e) 所組裝的并聯(lián)電路示意圖。

圖5 MnOx@Ti3C2Txa) 柔性鋅離子電池器件在不同彎曲角度條件下的光學(xué)照片（0~180°）; b) 不同彎曲角度下柔性電池的放電圖; c) 多次彎折之后的放電圖; d) 嚴(yán)重形變下的對(duì)比恒流充放電圖, e) 柔性電池的實(shí)物展示圖。

【本文總結(jié)】

? ? ? ?本研究所制備的MnOx@Ti3C2Tx的材料通過創(chuàng)新性的器件優(yōu)化設(shè)計(jì)為離子與電子的傳輸提供了快速精準(zhǔn)的路徑，依據(jù)并聯(lián)電路的原則打破了高電流的限制，使組裝的柔性鋅離子電池展現(xiàn)出了杰出的倍率性能。柔性薄膜MnOx@Ti3C2Tx電極作為柔性鋅離子電池的正極具有極強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性與功率輸出能力，其高倍率與優(yōu)異的柔性在可穿戴電子器件的應(yīng)用中有很大的潛力。

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