美國密歇根州立大學曹長勇教授團隊ACS?Nano:基于MXene復合材料電極的高性能可拉伸超級電容器

近年來柔性可拉伸電子器件受到人們的普遍關注并得到了迅猛發展。科研人員先后制造出可拉伸顯示器、人造電子皮膚、可穿戴傳感器和可植入設備等新的先進設備。這類新型可拉伸器件的發展也要求相應的供電裝置如電池和超級電容器等具有可拉伸、可變形、甚至能夠與各種可拉伸設備和基材無縫結合的能力。跟普通電池相比，超級電容器表現出更高的功率密度、循環效率和能量密度，可進行多達上百萬次充放電循環。這些特性使可拉伸超級電容器在可穿戴和可植入能量設備領域中具有巨大的應用潛力。

近日，美國密歇根州立大學（MSU）曹長勇教授團隊和杜克（Duke）大學Jeffrey?Glass教授團隊、德雷塞爾（Drexel）大學Yury Gogotsi教授團隊合作，探索利用二維碳化鈦MXene和還原氧化石墨烯（RGO）來制備柔韌耐用的可拉伸高性能超級電容器和印刷儲能設備。該MXene/RGO復合材料電極結合了MXene的優異的電化學性能以及RGO良好的機械性能，可以用來制備超大應變狀態下的超級電容。研究結果表明摻入50％ RGO的MXene/RGO復合電極可以極大地減少在超大應變拉伸下產生的裂紋。復合材料電極在經受單軸（300％）或雙軸（200％×200％）循環應變時，展示出高達49 mF/cm²（490 F/cm³和140 F/g）的大電容和良好的電化學穩定性和機械穩定性。實驗發現，新組裝的雙層電極超級電容器的比電容達18.6 mF/cm²（90 F/cm³和29 F/g），其可拉伸性可達到300％的大應變。該方法可用于制造其他基于MXene的可拉伸儲能設備，并且可以擴展到其他MXene材料族的其他成員。

該成果今天在線發表在國際著名期刊ACS?Nano上。論文第一作者為周逸豪博士，通訊作者為密歇根州立大學曹長勇教授和杜克大學Jeffery?Glass教授。德雷塞爾（Drexel）大學Yury Gogotsi教授和杜克大學Stefan Zauscher教授等為論文共同作者。

圖1：可拉伸MXene / RGO復合材料電極的制備和表征。

（a）可拉伸MXene/RGO復合材料薄膜電極的制造過程示意圖。（b）通過施加單軸預應變（300％）制成的MXene/RGO復合薄膜的表面形態的SEM圖像。（c）通過施加雙軸預應變（200％×200％）制成的MXene/RGO復合薄膜（1 μm）的表面形態的SEM圖像。（d）在硅晶片上的RGO和MXene納米薄片的SEM圖像，（e）通過SEM圖像分析獲得的MXene納米薄片尺寸分布。（f）MXene納米薄片的AFM圖像。（g）通過AFM測得的MXene納米薄片的厚度分布。

圖2：具有不同百分比的RGO的MXene/RGO復合材料薄膜的機械性能和導電性能表征。

（a-c）分別通過施加100％，200％和300％的預應變制成的MXene/RGO薄膜（約1 μm厚）處于松弛狀態的SEM圖像。（d-f）純MXene薄膜（約0.6 μm厚）處于松弛狀態的SEM圖像；釋放基底預應力后會產生許多裂紋。（g）MXene/RGO復合材料薄膜的極限應變隨RGO百分比的變化。（h）具有不同RGO百分比的MXene/RGO復合材料薄膜的電阻隨所施加的拉伸應變變化。（i）具有不同RGO百分比的MXene/RGO復合材料薄膜的歸一化電阻在歷經1000次循環拉伸應變（250％）時的變化情況。

圖3：單向可拉伸的MXene/RGO電極和純MXene電極的電化學性能。

（a）在松弛狀態下，以不同掃描速率測得的MXene/RGO電極的循環伏安（CV）曲線。（b）MXene/RGO電極在不同拉伸應變下以20 mV/s的掃描速率測得的CV曲線。（c）在0-300％的應變下，在不同的充放電電流密度下對MXene/RGO電極進行恒流電荷放電（GCD）測量得出的比電容。（d）在松弛狀態下以5至50 mV/s的掃描速率測得的MXene可拉伸超級電容器電極的CV曲線。（e）在0至300％的拉伸應變下，以20 mV/s的掃描速率測量的MXene電極的CV曲線。（f）根據MXene電極在不同應變狀態和不同充放電電流密度下的GCD測量得出的比電容。

圖4：雙向可拉伸MXene/RGO復合超級電容器電極的電化學性能。

（a）MXene/RGO電極在松弛狀態下以不同掃描速率測得的CV曲線。（b）在不同雙軸拉伸應變下，以20 mV/s的掃描速率測量的MXene/RGO電極的CV曲線。（c）不同雙軸應變下MXene/RGO電極的奈奎斯特圖。（d）通過在不同的拉伸應變下以不同的充放電電流密度對MXene/RGO電極進行恒定的充放電測量得出的比電容。

圖5：具有可拉伸MXene/RGO復合電極和H₂SO₄/PVA凝膠電解質的可拉伸超級電容器的電化學性能。

（a）可拉伸MXene/RGO復合電極超級電容器的示意圖。（b）在松弛狀態下，以不同掃描速率測得的可拉伸超級電容的CV曲線。（c）在不同拉伸應變下，以20 mV/s的掃描速率測得的可拉伸超級電容的CV曲線。（d）在不同應變狀態下的可拉伸超級電容的EIS。（e）經受不同應變并以0.5?A/g測量的可拉伸超級電容的充放電曲線。（f）在不同的應變和不同的充放電電流密度下測得的可拉伸SC的比電容。（g）在機械松弛-拉伸循環中，可拉伸超級電容的恒定電流充放電（0.5?A/g）曲線。（h）在機械松弛-拉伸循環中在0.5?A/g的充放電電流密度下的可拉伸超級電容的比電容。（i）可拉伸超級電容在10,000個充放電循環中的電化學穩定性。

圖6：本研究中制備的可拉伸MXene/RGO復合材料電極和超級電容器與其他的基于MXene的電極和超級電容器的性能比較。

（a）不同電極的性能比較。（b）不同超級電容器的性能比較。

論文鏈接:

Yihao Zhou, Kathleen Maleski, Babak Anasori, James?O. Thostenson, Yaokun Pang, Yaying Feng, Charles B. Parker, Stefan Zauscher, Yury Gogosti, Jeffrey T. Glass*, Changyong Cao*. Ti3C2Tx?MXene-Reduced Graphene Oxide Composite Electrodes for Stretchable Supercapacitors, ACS Nano, in online , 2020. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b10066

課題組網站：

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