【背景介紹】

? ? ? ?柔性固體超級電容器(FSSC)作為儲(chǔ)能設(shè)備在現(xiàn)代可穿戴電子領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注，它包括柔性電極、固態(tài)凝膠電解質(zhì)、隔膜和類似于傳統(tǒng)超級電容器的柔性封裝材料。在上述元件中，柔性電極是柔性超級電容器最關(guān)鍵的一部分，特別是在組裝含有兩種不同種類(負(fù)極和正極)的非對稱超級電容器時(shí)，柔性電極是最關(guān)鍵的因素，其要求有良好的導(dǎo)電性、高電容性能、良好的循環(huán)性和柔韌性。然而，與正極材料的迅速進(jìn)步相比，仍缺少理想的負(fù)極材料來推動(dòng)非對稱超級電容器的能量密度限制。因此，需要一種新型的高電容、高導(dǎo)電性的負(fù)極材料。

【成果簡介】

? ? ? ?近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)Gui-Gen Wang教授報(bào)道了采用一種簡單的浸漬法制備MXene與Fe2O3/CC耦合的柔性負(fù)極材料，其導(dǎo)電性好、面積電容高、柔韌性好。通過將碳布上的Fe2O3納米棒陣列反復(fù)浸入少層MXene納米片溶液中，制備出Fe2O3/CC纖維被MXene完全包裹的電極材料。MXene@Fe2O3/CC電極的面電容由MXene和Fe2O3納米棒共同貢獻(xiàn)，在電流密度為1mAcm?2時(shí)高達(dá)725 mFcm?2?。對于少層MXene，它不僅為柔性電極提供了電容，而且為Fe2O3提供了快速有效的離子/電子傳輸途徑，有效的提高了電子導(dǎo)電性。此外，由MXene@Fe2O3和MnO2構(gòu)成的非對稱超級電容器器件在功率密度為22.55mWcm?3表現(xiàn)出1.61 mWhcm?3的高能量密度和良好的穩(wěn)定性。該工作為碳纖維負(fù)載活性材料和構(gòu)建適用于高性能柔性非對稱超級電容器應(yīng)用的分層涂層結(jié)構(gòu)電極提供了一種簡單有效的策略。該成果在線發(fā)表于?Journal of Materials Chemisty A: Few-layered Ti3C2Tx?MXenes coupled with Fe2O3?nanorod arrays grown oncarbon cloth as anodes for flexible asymmetric supercapacitors。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 Ti3C2Tx?MXene (a)和MXene@Fe2O3/CC (b)的合成示意圖。

圖 2?(a) Max (Ti3AlC2), 塊狀Ti3C2TxMXene, 和剝落的Ti3C2Tx?MXene的XRD圖譜，內(nèi)圖展示了從5到12度的放大圖譜。(b) Ti3C2Tx?MXene的Ti 2p高分辨率XPS圖譜 (c)MXene@CC的 AFM圖像 (d)?不同放大倍數(shù)的TEM圖像(d1和d2)，HRTEM圖像(d3)，和?MXene納米片的SAED (d4)。

圖3 (a) Fe2O3/CC的SEM圖像 (b) Fe2O3納米結(jié)構(gòu)的TEM圖像(b1); Fe2O3草的HRTEM圖像（b2和b3）和相應(yīng)的衍射圖像（b4）; 選定區(qū)域的Fe和O的EDS元素映射圖（b5和b6）（c） Fe2O3/CC的Fe 2p高分辨率XPS圖譜 (d)CC, Fe2O3/CC, and MXene@Fe2O3/CC的XRD圖像(e) CC, Fe2O3/CC,and MXene@Fe2O3/CC的拉曼圖譜，內(nèi)圖展示了從200到700 cm-1的放大光譜。

圖4 MXene@Fe2O3/CC的SEM圖像(a和b）在不同的放大倍數(shù)和相應(yīng)的截面結(jié)構(gòu)(c) (d)MXene@Fe2O3/CC中Fe, Ti, O和 C的元素映射圖和EDS 能譜。

圖5 (a)掃描速率為30 mV s-1的Fe2O3/CC、MXene/CC和MXene@Fe2O3/CC電極的CV曲線(b)不同掃描速率下MXene@Fe2O3/CC電極的CV曲線 (c)不同電流密度下MXene@Fe2O3/CC電極的GCD曲線 (d)根據(jù)不同電極的GCD曲線計(jì)算不同MXene負(fù)載量時(shí)MXene@Fe2O3/CC的面積電容(e)不同MXene含量的MXene@Fe2O3/CC電極的尼奎斯圖和放大的高頻內(nèi)圖(f)用于快速電荷傳輸/存儲(chǔ)的MXene@Fe2O3/CC包覆異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 (a)CC、PCC和MnO2/PCC的XRD圖像 (b) MnO2?/PCC的 Mn 2p高分辨率XPS圖譜 (c)MnO2/PCC的SEM圖像 (d) CC、PCC和MnO2/CC、MnO2/PCC電極的CV曲線 (e) MnO2/PCC電極在不同掃描速率下的CV曲線 (f)MnO2/PCC在不同電流密度下的GCD曲線。

圖7 (a)在50 mVs-1下不同電位窗口的CV曲線 (b)二電極系統(tǒng)下不同掃描速率的CV曲線 (c)二電極系統(tǒng)下不同電流密度下的GCD曲線 (d)基于電流密度下的GCD曲線計(jì)算在二電極系統(tǒng)下的面積電容 (e)最優(yōu)的MnO2//MXene@Fe2O3ASCs與最近文獻(xiàn)中報(bào)道的ASC器件的能量比較圖(體積能量密度和平均功率密度) (f) MnO2//MXene@Fe2O3器件的循環(huán)性能。

【本文總結(jié)】

本文首次采用簡單的浸漬法制備了MXene與Fe2O3?/CC相結(jié)合的層次化碳纖維電極，作為柔性ASC器件的負(fù)極材料。所構(gòu)建的MXene層不僅為柔性電極提供了電容，而且為Fe2O3提供了電子通道，縮短了離子/電子的傳輸路徑。此外，在MXene和Fe2O3之間形成的空心結(jié)構(gòu)具有更大的表面積，為電極提供了額外的Li+存儲(chǔ)位置。這些因素使MXene@Fe2O3/CC柔性電極提供高電荷存儲(chǔ)性能和高面積電容，在電流密度為1.0 mA cm-2時(shí)達(dá)到725 mF cm-2。此外, 如此組裝的MnO2//MXene@Fe2O3不對稱設(shè)備展現(xiàn)1.8V的高電壓窗口和高面積電容，在1mAcm-2的電流密度下143.4 mFcm-2，在功率密度22.55和459.46 mW cm-3時(shí)能量密度為1.61和0.74 mWhcm-3。該工作為構(gòu)建高性能柔性電極提供了一種高效、簡便的策略，克服了超級電容器低能量密度的主要缺陷，為高性能儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來了廣闊的發(fā)展前景。

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