文章信息

兼具柔性與電容優(yōu)化平衡的全溫全固態(tài)Ti3C2Tx/ANF纖維超級(jí)電容器

第一作者：劉奇

通訊作者：劉宗懷*，何學(xué)俠*

單位：陜西師范大學(xué)

研究背景

Ti3C2Tx（MXene）具有二維層狀結(jié)構(gòu)、類金屬高導(dǎo)電率（15000 S cm-1）與高體積比電容（1500 F cm-3），是制備柔性纖維電極的理想候選材料。但是，由于采用化學(xué)刻蝕、剝離制備的Ti3C2Tx納米片橫向尺寸小及層間作用力弱，使得通過(guò)濕法紡絲制備兼具柔性和優(yōu)越電容性能Ti3C2Tx纖維存在一定的挑戰(zhàn)。

另外，由Ti3C2Tx纖維電極組裝的纖維超級(jí)電容器在嚴(yán)寒或炎熱條件下電容會(huì)嚴(yán)重下降，嚴(yán)重影響其在極端天氣中的應(yīng)用。因此，迫切需要開發(fā)一種全溫Ti3C2Tx基纖維超級(jí)電容器以適應(yīng)不同溫度應(yīng)用需求，但關(guān)于全溫全固態(tài)Ti3C2Tx基纖維超級(jí)電容器鮮有報(bào)道。

文章簡(jiǎn)介

基于此，陜西師范大學(xué)大學(xué)劉宗懷教授與何學(xué)俠副教授課題組在國(guó)際知名期刊Adv. Funct. Mater.上發(fā)表題為“Full-Temperature All-Solid-State Ti3C2Tx/Aramid FiberSupercapacitor with Optimal Balance of CapacitivePerformance and Flexibility”的研究文章。

該文章以質(zhì)子供體輔助對(duì)位芳綸纖維（PPTA）去質(zhì)子化獲得的一維芳綸納米纖維（ANF）作為柔性功能添加劑，二維Ti3C2Tx納米片作為組裝單元，通過(guò)濕法紡絲，在0.5 M FeCl2凝固浴中成功制備了兼具柔性與高電容性能Ti3C2Tx/ANF（T/A）復(fù)合纖維電極。

圖1. Ti3C2Tx/ANF柔性纖維制備過(guò)程示意圖。

同時(shí)，將剝離后的蒙脫土納米片（F-MMT）及二甲基亞砜（DMSO）引入到傳統(tǒng)的聚乙烯醇-硫酸（PVA-H2SO4）水凝膠電解質(zhì)中，成功制備了具有低溫抗凍、高溫耐熱、質(zhì)輕、柔性和高離子導(dǎo)電性F-MMT/PVA有機(jī)水凝膠電解質(zhì)。

以Ti3C2Tx/ANF纖維作為正負(fù)極、F-MMT/PVA有機(jī)水凝膠電解質(zhì)作為電解質(zhì)和隔膜，分步浸泡法成功組裝了全溫全固態(tài)柔性F-MMT/PVA T/A纖維超級(jí)電容器，該器件展示了優(yōu)異的高低溫電容性能與柔性。

圖2. 全溫全固態(tài)柔性F-MMT/PVA T/A-5基纖維超級(jí)電容器組裝示意圖。

本文要點(diǎn)

要點(diǎn)一：兼具高機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)越電容性能Ti3C2Tx/ANF纖維電極的制備
濕法紡絲過(guò)程中通過(guò)改變ANF的加入量，系統(tǒng)研究了ANF含量對(duì)復(fù)合纖維形貌、結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性、電化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性能的影響，對(duì)Ti3C2Tx基纖維形成機(jī)理進(jìn)行了分析和討論。

研究結(jié)果表明，當(dāng)ANF的添加量為5%時(shí)，制備的T/A-5復(fù)合纖維電極兼具優(yōu)異的電化學(xué)性質(zhì)和高的機(jī)械強(qiáng)度。在3 M H2SO4電解液中，該纖維電極的體積比電容可達(dá)807 F cm-3，同時(shí)具備104 MPa的大抗拉應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了Ti3C2Tx基纖維電極的電容性能和柔性優(yōu)化平衡。

圖3. 不同ANF負(fù)載量T/A復(fù)合纖維電化學(xué)和力學(xué)性能表征：（a）掃速為100 mV s-1時(shí)CV曲線，（b）電流密度為3 A cm-3下GCD曲線，（c）不同電流密度下比電容，（d）能奎斯特曲線，（e）應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（f）T/A-5纖維CV曲線，（g）GCD曲線，（h）柔性與力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試的光學(xué)照片和（i）與報(bào)道的Ti3C2Tx基復(fù)合纖維最大拉伸應(yīng)力和電導(dǎo)率比較。
要點(diǎn)二：全溫有機(jī)水凝膠電解質(zhì)的開發(fā)制備

對(duì)傳統(tǒng)的PVA-H2SO4水凝膠電解質(zhì)進(jìn)行了熱穩(wěn)定組分（F-MMT）引入和抗凍水系電解質(zhì)改性。F-MMT能提高凝膠電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性且能形成離子傳輸通道，從而有利于離子的傳輸。

同時(shí)，DMSO能顯著減弱水分子間氫鍵，極大地降低電解質(zhì)溶劑體系的凝固點(diǎn)。制備的F-MMT/PVA有機(jī)水凝膠電解質(zhì)在-40~80 °C具有高的離子電導(dǎo)率（0.33~3.42 mS cm-1）和優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度。
要點(diǎn)三：全溫全固態(tài)Ti3C2Tx/ANF柔性纖維超級(jí)電容器性能

圖4.（a）溫度與F-MMT/PVA有機(jī)水凝膠電解質(zhì)離子導(dǎo)電率的關(guān)系；F-MMT/PVA T/A-5基纖維超級(jí)電容器在不同溫度下的電化學(xué)性能：（b）50 mV s-1掃速下的CV曲線，（c）1 A cm-3下的GCD曲線，（d）比電容與溫度的變化關(guān)系和（e）能量密度（Ev）與功率密度（Pv）隨溫度變化的關(guān)系；（f）在室溫下與文獻(xiàn)報(bào)道Ti3C2Tx基纖維超級(jí)電容器的Ragone比較圖；F-MMT/PVA T/A-5基纖維超級(jí)電容器的柔性測(cè)試：（g）不同彎折角度的光學(xué)照片，（h）不同彎折角度的CV曲線（50 mV s-1）和（i）彎折100次后電容保持率（插圖為未彎折和彎折100次后的CV曲線）。

Ti3C2Tx/ANF-5纖維作為正負(fù)極、F-MMT/PVA有機(jī)水凝膠電解質(zhì)作為電解質(zhì)和隔膜，采用分步浸泡法，成功組裝了全溫全固態(tài)柔性F-MMT/PVA T/A-5基纖維超級(jí)電容器。組裝的纖維超級(jí)電容器在0.25 A·cm-3電流密度下比電容高達(dá)295 F·cm-3，最大體積能量密度為26.2 mWh cm-3。在5 A·cm-3的電流密度下經(jīng)過(guò)10000次充電/放電循環(huán)后電容保持率為91%。

同時(shí)，該纖維超級(jí)電容器在-40~80 °C的寬溫范圍內(nèi)展現(xiàn)出良好的柔性和優(yōu)異的電容性能，且該器件電化學(xué)性能在不同程度的彎曲和不同次數(shù)的彎曲均能得以保持。該研究為設(shè)計(jì)和組裝具有電容性能和柔性最佳平衡的全溫度全固態(tài)對(duì)稱柔性纖維超級(jí)電容器提供了有效策略。

通訊作者介紹

劉宗懷 教授

陜西師范大學(xué)博士生導(dǎo)師、日本德島大學(xué)博士（2001年），日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所及日本學(xué)術(shù)振興會(huì)博士后。長(zhǎng)期從事儲(chǔ)能材料的研究及其器件化工作，利用無(wú)機(jī)層狀化合物剝離得到的納米層及其孔洞化納米層、組裝了系列超級(jí)電容器用電極材料及其組裝了相應(yīng)的儲(chǔ)能器件。以第一作者/通訊作者在國(guó)際主流學(xué)術(shù)刊物Angew. Chem. Int. Ed.，Small ，Chem. Maters.，Chem. Commu.，J. Mater. Chem. A等上發(fā)表研究論文110 余篇，他引3500 余次，出版《二維無(wú)機(jī)材料剝離、納米層組裝及其功能化》著作一部。
何學(xué)俠 副教授

陜西師范大學(xué) 碩士生導(dǎo)師、日本岡山大學(xué)博士（2013年）、新加坡南洋理工大學(xué)博士后，2016年入職陜西師范大學(xué)。主要研究方向?yàn)槎S層狀材料的可控制備與光、電器件組裝。以第一作者或通訊作者在Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Funct. Mater.，Small,，J. Mater. Chem. A等刊物上發(fā)表文章30余篇，1 篇論文入選ESI高被引論文。

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