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鋅離子電容器因使用鋅金屬作為負(fù)極，其具有較低的氧化還原電位，環(huán)境友好以及較高的理論容量引起了研究者們廣泛的關(guān)注。然而，其循環(huán)壽命以及穩(wěn)定性顯然不如有機(jī)電解液系統(tǒng)穩(wěn)定，這一點(diǎn)主要受正極材料的影響，重復(fù)的Zn2+穿梭會破壞微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響其容量。并且，結(jié)構(gòu)塌陷在水系電解液中比在有機(jī)系統(tǒng)中甚至?xí)?。尋找新型的高度穩(wěn)定的正極材料對于高性能鋅離子電容器還是非常重要的。

2D Ti2CTx?MXene具有最簡單的原子結(jié)構(gòu)，在MXene材料體系中被廣泛地應(yīng)用于有機(jī)電解液電池，在循環(huán)中表現(xiàn)出了杰出的穩(wěn)定性。獨(dú)特的手風(fēng)琴狀微觀結(jié)構(gòu)，親水性，高導(dǎo)電性等使其在水系電池中具有較大的潛力，然而，雖然Ti基和V基MXene電極已經(jīng)被應(yīng)用，但相關(guān)研究仍然比較匱乏。此外，盡管MXene的2D結(jié)構(gòu)可能有利于提升容量，但納米片結(jié)構(gòu)仍然具有兩個(gè)缺陷：1）由于電極中MXenes的非選擇性分布以及自發(fā)的重堆疊，離子因?yàn)楸砻鎰輭径鵁o法直接嵌入到層間；2）層間距影響著離子穿梭的動(dòng)力學(xué)，較大的層間距可能會增加穿梭深度。離子預(yù)嵌可以擴(kuò)大層間距并因此促進(jìn)離子的擴(kuò)散，但是無法縮短離子擴(kuò)散路徑。另一方面，設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)，尤其是直接垂直分布可以促進(jìn)離子的穿梭并縮短離子擴(kuò)散路徑。

最近，香港城市大學(xué)支春義教授與中科院寧波材料所黃慶研究員在國際高水平學(xué)術(shù)期刊?Advanced Energy Materials上發(fā)表題目為：?Vertically Aligned Sn4+?Preintercalated Ti2CTX?MXene Sphere with Enhanced Zn Ion Transportation的研究論文，該研究通過Sn4+對Ti2CTx?MXene進(jìn)行預(yù)嵌，具有增大的層間距，這種預(yù)嵌的Ti2CTx在碳球上排列，通過縮短離子擴(kuò)散路徑和增強(qiáng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來進(jìn)一步增強(qiáng)離子的傳輸，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

圖1.電極材料的合成過程以及形貌分析。

圖2.?電極材料的物理成分表征。

圖3.?所組裝的鋅離子電容器的電化學(xué)性能測試，電解液為LiTFSI+Zn（CF3SO3）2。

圖4.?所組裝的鋅離子電容器的自放電性能。

圖5.?所組裝的鋅離子電容器的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理探究。

圖6.?準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電容器的組裝。

綜上所述，表面勢壘造成的堆疊與限制的層間距是MXenes應(yīng)用于儲能系統(tǒng)的兩個(gè)主要問題，研究者們設(shè)計(jì)了垂直排列的Sn4+預(yù)嵌的Ti2CTxMXene在碳球的外表面。由于消除了表面勢壘并有效地?cái)U(kuò)大了層間距，大大縮短了Zn離子擴(kuò)散的路徑，提高了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。所制備的Zn/MXene電容器實(shí)現(xiàn)了12500次循環(huán)的超長循環(huán)，并且在超過2800小時(shí)中只有5%的容量浮動(dòng)，優(yōu)于目前報(bào)道的在有機(jī)與水系系統(tǒng)中所有的MXenes電極。此外，較低的電壓降低速率 0.989 mV h-1以及容量降低速率0.035 % h-1證明了杰出的自放電性能。所組裝的基于PAMHC水凝膠電解質(zhì)的準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電容器可以在各種惡劣條件下安全進(jìn)行。

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