Yury Gogotsi團隊Small：導電聚合物@碳化鈦MXene復合正極助力超高性能非對稱超級電容器

引言

贗電容電容器是一種介于電池和雙電層電容器之間的儲能設備，其通過表面氧化還原反應或者離子插層來實現電化學能源的存儲，不受擴散控制的制約，因而具有更高的功率密度和循環穩定性，近些年來受到越來越多的關注。MXenes是一類具有金屬導電內核和類過渡金屬氧化物表面的二維層狀碳化物或者氮化物，這種特殊的結構賦予其超高的電化學性能，比如Ti₃C₂T_x?MXene水凝膠體積比容量可高達1500 F cm^-3。但由于MXene易于被氧化，MXene和MXene基復合材料只能用作超級電容器的負極。

成果簡介

最近，美國Drexel University的Yury Gogotsi教授團隊報道了一種高性能導電聚合物@碳化鈦MXene復合正極材料。團隊研究人員首先以PS球為模板制備了3D Ti₃C₂T_x薄膜，通過澆筑聚苯胺?(PANI)?并機械壓縮后，得到自支撐PANI@M-Ti₃C₂T_x復合薄膜。電化學測試發現，當Ti₃C₂T_x?MXene與PANI或者PEDOT:PSS復合后，復合薄膜的耐電化學氧化能力顯著增強，這主要是由于復合材料更高的功函數引起的穩定性的增加。此外，由于PANI的高比容量和Ti₃C₂T_x的高電導性，PANI@M-Ti₃C₂T_x復合正極在3 M H₂SO₄電解液中表現出創紀錄的體積比容量?(10 mV s^-1下1632 F cm^-3)?和倍率性能?(5000 mV s^-1下827 F cm^-3)。最后，研究人員以機械壓縮后的Ti₃C₂T_x?(M-Ti₃C₂T_x) 為負極，以PANI@M-Ti₃C₂T_x為正極，構建了一個超高性能的非對稱贗電容器。該非對稱電容器最高體積能量密度和最高功率密度分別高達50.6 Wh L^-1?和127?kW L^-1。相關成果以“An Ultrafast Conducting Polymer@MXene Positive Electrode with High Volumetric Capacitance for Advanced Asymmetric Supercapacitors”發表于Small期刊上，論文第一作者為李科和王雪杭。

圖文導圖

圖一、PANI@M-Ti₃C₂T_x?正極的制備示意圖和相關形貌結構表征圖?

(a-f)?PANI@M-Ti₃C₂T_x?正極的制備示意圖

(g)?Ti₃C₂T_x@PS薄膜SEM圖

(h)?3D M-Ti₃C₂T_x薄膜SEM圖

(i)?3D PANI@M-Ti₃C₂T_x?薄膜SEM圖

(j)?3D PANI@M-Ti₃C₂T_x?薄膜EDS Mapping圖

(k)?3D PANI@M-Ti₃C₂T_x?薄膜TEM圖

(i)?PANI@M-Ti₃C₂T_x?薄膜SEM圖

圖二、PANI@M-Ti₃C₂T_x?正極電化學性能

(a) PANI@M-Ti₃C₂T_x?正極不同掃描速率下CV曲線

(b) 不同負載量PANI@M-Ti₃C₂T_x?正極的倍率性能

(c) PANI@M-Ti₃C₂T_x?正極大電流密度下GCD曲線

(d) 不同負載量的PANI@M-Ti₃C₂T_x?正極的b值

(e) PANI@M-Ti₃C₂T_x?正極中表面電容的貢獻

(f) PANI@M-Ti₃C₂T_x?正極不同電壓下EIS曲線

圖三、DFT理論計算

(a) 還原態PANI結構

(b) Ti₃C₂(OH)₂?結構

(c) 還原態PANI@Ti₃C₂(OH)₂復合材料結構

(d) 三種材料的功函數

圖四、非對稱電容器電化學性能

(a) M-Ti₃C₂T_x負極和PANI@M-Ti₃C₂T_x正極的CV曲線

(b) M-Ti₃C₂T_x//PANI@M-Ti₃C₂T_x非對稱電容器CV曲線

(c) M-Ti₃C₂T_x//PANI@M-Ti₃C₂T_x非對稱電容器GCD曲線

(d) 不同負載量M-Ti₃C₂T_x//PANI@M-Ti₃C₂T_x非對稱電容器能量和功率密度

小結

綜上所述，作者開發了一種導電聚合物@碳化鈦MXene的高性能正極材料，并通過第一性原理計算驗證了其在正向電壓下更高的電化學穩定性。由于PANI的高比容量和MXene的高導電性，復合正極表現出超高的體積比容量?(10 mV s^-1下1632 F cm^-3)?和倍率性能?(5000 mV s^-1下827 F cm^-3)。基于純?Ti₃C₂T_x負極和PANI@M-Ti₃C₂T_x復合正極的非對稱贗電容器最高體積能量密度高達50.6 Wh L^-1，即使在超高的功率密度127?kW L^-1下，體積能量密度依舊有24.4 Wh L^-1。該研究表明，通過將MXene與具有氧化還原活性且功函數更高的材料復合，可使MXene在正向電壓下穩定工作。同時，氧化還原活性材料與MXene之間的協同作用有利于進一步增強復合材料的綜合性能。該研究開拓了一種設計高性能MXene基復合正極材料的方法，對電化學能源存儲與轉換領域研究具有一定的指導意義。

本文由Yury Gogotsi團隊供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.