西南交大楊維清Nano Energy：一種高電壓非對稱MXene基芯片式微型超級電容器

近年來，隨著物聯網技術和無線通信技術的逐漸成熟，各種無線傳感器件、便攜和可穿戴電子設備得到了快速的發展。同時，也對儲能裝置提出了更高的要求。超級電容器作為一種介于電池與傳統電容器之間的新型儲能裝置，具有循環壽命長、充放電速率快、環保、功率密度高、安全性高等優點，最有希望集成在上述器件與電子設備中。然而，電壓窗口低和能量密度低的問題，始終限制著它的進一步應用。同時，MXene作為一種新型的二維材料，獨特的層狀結構賦予其良好的導電性和倍率性能，已廣泛應用于儲能領域的研究中。然而，MXene基芯片式微型超級電容器還處于初期的研究中。由于MXene在過高的正電位會產生極化的現象，導致器件的內阻升高直至最終失效，這也是MXene基芯片式微型超級電容器一直受限于電壓窗口過窄的原因。因此，提高MXene基芯片式微型超級電容器的電壓窗口，才能更有效地儲存能量，拓寬其應用范圍。

【成果簡介】

近日，西南交通大學的楊維清教授團隊通過一種切割-噴涂的方法，采用非對稱的結構設計，成功研制出一種基于MXene的高電壓芯片式微型超級電容器。通過非對稱結構設計，避免Ti₃C₂T_x?MXene電極材料在過高的正電位產生極化從而導致材料的失效，單個器件在水系電解液中具有高達1.6 V的電壓窗口，并且表現出7.8 mF cm^-2和36 F cm^-3的高面積和體積比電容，在10000次循環后，仍具有超過91.4 %的容量保持率，在100 mW cm^?3的功率密度下仍保持3.5 mWh cm^?3的能量密度。相關成果以“High-voltage asymmetric MXene-based on-chip micro-supercapacitors” 發表于Nano?Energy期刊上，碩士研究生謝巖廷為第一作者，青年教師張海濤副教授和楊維清教授為共同通訊作者。該項工作得到了國家自然科學基金、四川省科技廳支撐計劃項目以及中央高校基礎研究經費等項目的支持。

【圖文導讀】

圖1. 高電壓芯片式MXene基MSCs的設計與構筑。

(a)?芯片式MSCs的內部結構和工作原理示意圖；(b)?活性炭（AC）正極和MXene負極電極材料在三電極裝置中10 mVs^-1掃速下的CV曲線。

圖2. 切割-噴涂的制備方法在硅片上制備高電壓MXene基芯片式MSCs示意圖。

圖3. 高電壓芯片式MXene基MSCs的微結構與電極材料組分分析。

(a) 高電壓芯片式MXene基MSCs的實物圖；(b) Ti₃C₂T_x?MXene粉末和噴涂在硅片上的MXene的拉曼光譜；(c) Ti₃C₂T_x?MXene粉末和噴涂在硅片上的MXene的XRD圖譜；(d) 芯片式MSCs叉指指間間隙的寬度SEM圖；(e-f) 正負電極的形貌和厚度截面SEM圖。

圖4.?單個高電壓芯片式MXene基MSCs的電化學性能。

(a) 從5 到?200 mV s^-1掃速下的CV曲線；(b) 在100?μA cm^-2下對稱型芯片式MSCs和非對稱型芯片式MSCs的GCD曲線對比；(c) Nyquist圖和擬合等效電路圖；(d) 不同電流密度下的GCD曲線；(e) 計算得出的面電容值；(f) 器件的Ragone圖。

圖5. 排列單個高電壓芯片式MXene基MSCs。

(a) MSCs三個串聯和四個并聯在直徑為3.5英寸的硅片上；(b) 20 mV s^-1掃速下的CV曲線；(c) 20?μA cm^-2下兩個單個、兩個串聯和兩個并聯MSCs的GCD曲線；(d) 兩個串聯的芯片式MSCs可以點亮一個商用LED燈；(e) 400?μA cm^-2下的循環穩定性（插圖：不同循環周數下的CV曲線）。

【小結】

研究者通過一種切割-噴涂的方法，采用非對稱的結構設計，成功研制出一種基于MXene的高電壓芯片式微型超級電容器。非對稱結構設計，避免了Ti₃C₂T_x?MXene在過高的正電位產生極化從而導致材料的失效，使得單個器件在水系電解液中具有高達1.6 V的電壓窗口。這項工作為MXene基微型超級電容器在芯片式電子器件和便攜式電子設備中的集成與應用提供了新的思路和策略。

【論文鏈接】

High-voltage asymmetric MXene-based on-chip micro-supercapacitors.?Nano Energy?(2020): 104928.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104928?