【研究背景】

為便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力的快速而大量的電能存儲(chǔ)是能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的一個(gè)不斷發(fā)展的挑戰(zhàn)。盡管先進(jìn)電池技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但其有限的功率密度和使用壽命仍不足以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的對(duì)下一代儲(chǔ)能設(shè)備的需求。而贗電容是一種不受固體擴(kuò)散限制，通過(guò)表面氧化還原反應(yīng)或贗電容插層來(lái)存儲(chǔ)能量的超級(jí)電容器，由于其更快的儲(chǔ)能速度和合理的能量密度，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。大多數(shù)金屬氧化物(RuO2除外)的電子導(dǎo)電性有限，電極電阻高，從而導(dǎo)致功率密度低，而電活性聚合物由于在摻雜-去摻雜過(guò)程中會(huì)發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)退化，因此通常使用壽命短。將碳納米材料（例如碳量子點(diǎn)，碳納米管（CNT）和石墨烯）引入贗電容材料可以通過(guò)改善電導(dǎo)率，促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移和減輕機(jī)械應(yīng)力來(lái)增強(qiáng)其電化學(xué)性能。然而，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高比電容、高倍率性能和長(zhǎng)周期穩(wěn)定性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

【成果簡(jiǎn)介】

最近，復(fù)旦大學(xué)Y. Xu教授課題組在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Small上發(fā)表一篇題目為：An Ultrafast Conducting Polymer@MXene Positive Electrode with High Volumetric Capacitance for Advanced Asymmetric Supercapacitors?的研究論文，該研究報(bào)道了一種通過(guò)在三維多孔Ti3C2TxMXene上澆鑄均勻聚苯胺層來(lái)制備超快聚苯胺@MXene正極，根據(jù)第一原理計(jì)算，由于聚苯胺復(fù)合后的功函數(shù)增大，使MXene在正電壓下穩(wěn)定工作。所得到的柔性聚苯胺@MXene正極顯示出1632 F cm- 3的高容量，以及在5000 mV s?- 1時(shí)827 F cm- 3的超高倍率性能，超過(guò)了所有報(bào)道的正極。以MXene為負(fù)極，聚苯胺@MXene為正極進(jìn)一步制備非對(duì)稱(chēng)器件，其能量密度為50.6 Wh L?1，超高功率密度為127 kW L?1。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.壓縮PANI@M-Ti3C2Tx電極的制備示意圖和相應(yīng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)；g）Ti3C2Tx@ PS膜，h）3D M-Ti3C2Tx膜和i）3D PANI@M-Ti3C2Tx膜的截面SEM圖 j）3D PANI@M-Ti3C2Tx膜的能量色散X射線(xiàn)光譜圖 k）3D PANI @M-Ti3C2Tx膜的TEM圖像 l）壓縮的PANI@M-Ti3C2Tx膜的截面SEM圖像。

圖2.?壓縮的PANI@M-Ti3C2Tx電極的電化學(xué)性能a）40％PANI的PANI@M-Ti3C2Tx膜的循環(huán)伏安曲線(xiàn) b）用體積電容表示具有不同質(zhì)量負(fù)載的PANI@M-Ti3C2Tx薄膜的倍率性能c）PANI@M-Ti3C2Tx的恒電流充放電曲線(xiàn)d）具有不同質(zhì)量負(fù)載的PANI@M-Ti3C2Tx薄膜的b值 e）10 mV s-1下的PANI@M-Ti3C2Tx膜的循環(huán)伏安曲線(xiàn)，其陰影部分對(duì)應(yīng)于表面電容的電流貢獻(xiàn) f）在不同電壓下的PANI @ M-Ti3C2Tx膜的電化學(xué)阻抗圖譜。

圖3.?a）PANI，b）Ti3C2（OH）2和c）PANI @ Ti3C2（OH）2的俯視圖和側(cè)視圖 d）PANI，Ti3C2（OH）2和PANI @ Ti3C2（OH）2的功函數(shù)。

圖4.非對(duì)稱(chēng)器件的電化學(xué)性能 a）壓縮的M-Ti3C2Tx和壓縮的PANI@M-Ti3C2Tx的循環(huán)伏安曲線(xiàn) b）非對(duì)稱(chēng)M-Ti3C2Tx//PANI@M-Ti3C2Tx超級(jí)電容器的循環(huán)伏安曲線(xiàn) c）在不同電流密度下，M-Ti3C2Tx//PANI@M-Ti3C2Tx全電池的恒電流充放電曲線(xiàn) d）不同PANI@M-Ti3C2Tx負(fù)載下M-Ti3C2Tx?//PANI@M-Ti3C2Tx全電池的體積能量和功率密度，插圖在高電流密度下M-Ti3C2Tx//PANI@M-Ti3C2Tx器件的恒電流充放電曲線(xiàn)。

【本文總結(jié)】

?本文開(kāi)發(fā)了高性能PANI@M-Ti3C2Tx正極，并通過(guò)第一性原理計(jì)算證明了其在正電壓下的高電化學(xué)穩(wěn)定性。該正極同時(shí)利用了正電壓下的PANI的高電容和MXene的高倍率性能，這使得獨(dú)立的PANI @ M-Ti3C2Tx電極在正電壓窗口下具有1632 F cm-3（10 mV s-1）的高體積電容，掃描速率高達(dá)5000 mV s-1下827 F cm-3的高電容保持率，。我們進(jìn)一步組裝了一個(gè)非對(duì)稱(chēng)器件，分別以PANI @M-Ti3C2Tx（2.6 mg cm-2）和M-Ti3C2Tx作為正極和負(fù)極。器件的體積能量密度達(dá)到50.6 Wh L-1（1.7 kW L-1），即使在127 kW L-1的超高功率密度下，仍保持24.4 Wh L-1。這項(xiàng)研究表明，MXenes與其他具有較大功函數(shù)的氧化還原材料的合理復(fù)合使MXenes可以用作正極，并且它們之間的協(xié)同效應(yīng)可以增強(qiáng)復(fù)合材料的性能，這為設(shè)計(jì)高性能基于MXene的正極和用于電化學(xué)能量收集，轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的設(shè)備提供了機(jī)會(huì)。

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