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西南交大楊維清教授團(tuán)隊(duì)Nano Energy：一種高電壓非對稱MXene基芯片式微型超級電容器

來源：科學(xué)10分鐘時(shí)間：2020-12-02 14:42:05 瀏覽：4873次

致謝

感謝測試狗團(tuán)隊(duì)在部分測試上的支持

研究成果

近日，西南交通大學(xué)的楊維清教授團(tuán)隊(duì)通過一種切割-噴涂的方法，采用非對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免Ti₃C₂T_xMXene電極材料在過高的正電位產(chǎn)生極化從而導(dǎo)致材料的失效，單個(gè)器件在水系電解液中具有高達(dá)1.6 V的電壓窗口，并且表現(xiàn)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(huán)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。因此，該工作為MXene基微型超級電容器在芯片式電子器件和便攜式電子設(shè)備中的集成與應(yīng)用提供了新的思路和策略。該工作近期發(fā)表在Nano Energy上（Nano Energy. 2020, 104928）。

研究背景

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通信技術(shù)的逐漸成熟，各種無線傳感器件、便攜和可穿戴電子設(shè)備得到了快速的發(fā)展。同時(shí)，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(tǒng)電容器之間的新型儲能裝置，具有循環(huán)壽命長、充放電速率快、環(huán)保、功率密度高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，最有希望集成在上述器件與電子設(shè)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(jìn)一步應(yīng)用。同時(shí)，MXene作為一種新型的二維材料，獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)賦予其良好的導(dǎo)電性和倍率性能，已廣泛應(yīng)用于儲能領(lǐng)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(chǎn)生極化的現(xiàn)象，導(dǎo)致器件的內(nèi)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M(jìn)Xene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(yīng)用范圍。

圖文導(dǎo)讀

高電壓芯片式MXene基MSCs的設(shè)計(jì)與構(gòu)筑

圖1. 高電壓芯片式MXene基MSCs的設(shè)計(jì)與構(gòu)筑。

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

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。

高電壓芯片式MXene基MSCs的微結(jié)構(gòu)與電極材料組分分析

圖3. 高電壓芯片式MXene基MSCs的微結(jié)構(gòu)與電極材料組分分析。

(a) 高電壓芯片式MXene基MSCs的實(shí)物圖；(b) Ti₃C₂T_xMXene粉末和噴涂在硅片上的MXene的拉曼光譜；(c) Ti₃C₂T_xMXene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(fù)電極的形貌和厚度截面SEM圖。

單個(gè)高電壓芯片式MXene基MSCs的電化學(xué)性能

圖4. 單個(gè)高電壓芯片式MXene基MSCs的電化學(xué)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(jì)算得出的面電容值；(f) 器件的Ragone圖。

排列單個(gè)高電壓芯片式MXene基MSCs

圖5. 排列單個(gè)高電壓芯片式MXene基MSCs。

(a) MSCs三個(gè)串聯(lián)和四個(gè)并聯(lián)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(gè)單個(gè)、兩個(gè)串聯(lián)和兩個(gè)并聯(lián)MSCs的GCD曲線；(d) 兩個(gè)串聯(lián)的芯片式MSCs可以點(diǎn)亮一個(gè)商用LED燈；(e) 400 μA cm^-2下的循環(huán)穩(wěn)定性（插圖：不同循環(huán)周數(shù)下的CV曲線）。

研究小結(jié)

研究者通過一種切割-噴涂的方法，采用非對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免了Ti₃C₂T_xMXene在過高的正電位產(chǎn)生極化從而導(dǎo)致材料的失效，使得單個(gè)器件在水系電解液中具有高達(dá)1.6 V的電壓窗口。這項(xiàng)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(shè)備中的集成與應(yīng)用提供了新的思路和策略。

團(tuán)隊(duì)介紹

楊維清，西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授/博導(dǎo)，四川省第十二屆政協(xié)委員，四川省杰出青年，2007和2011年分別獲得四川大學(xué)碩士和博士學(xué)位，2011-2014年先后在電子科技大學(xué)和美國佐治亞理工學(xué)院從事博士后，2014年4月引進(jìn)到西南交通大學(xué)材料學(xué)院教授博導(dǎo)，主要從事納米能源材料與功能器件的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。近年來，在Adv. Mater. (IF: 25.809), ACS Nano (IF: 13.903)，Nano Lett. (IF: 12.279), Adv. Funct. Mater. (IF: 15.621) 等國際著名刊物上發(fā)表SCI收錄論文共計(jì)150余篇，其中影響因子IF>10論文31篇，ESI高被引論文11篇，引用4900余次(Google Scholar)。主持國家自然基金、四川省杰出青年基金項(xiàng)目、教育部留學(xué)回國人員啟動(dòng)基金項(xiàng)目等多項(xiàng)省部級項(xiàng)目，擔(dān)任科技部重大研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目會評專家和國家科技獎(jiǎng)評審專家。申請專利40項(xiàng)(已授權(quán)18余項(xiàng))。所做的工作被美國知名網(wǎng)站美國國家自然基金委（NSF)、Newscientist，CCTV等近20家媒體專題報(bào)道，受到法國路透社，中國科學(xué)網(wǎng)、中國儲能網(wǎng)、中國網(wǎng)、新華網(wǎng)、人民網(wǎng)、鳳凰網(wǎng)等多家國內(nèi)外媒體關(guān)注。也是Newscientists（科技媒體世界排名第一，見百度）首次報(bào)道西南交通大學(xué)的科研工作。相關(guān)科研成果在北京科技展和中關(guān)村科技展上，受到國務(wù)院副總理劉延?xùn)|、中科院院長白春禮院士和中科院北京分院院長何巖院士的高度評價(jià)，受邀參加中國國際廣播電臺名人坊節(jié)目專訪。

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