AFM：喷雾-冷冻法制备3DMXene增强储钾性能

现代社会中，锂离子电池作为能量储存系统在电动汽车与可穿戴电子器件中已经取得了很大的成功。然而，随着诸如风能和太阳能等可再生能源的快速发展，用于电网级储能的新型电池技术亟待发展，尤其是面对有限的资源与持续增长的锂成本。钾离子电池得益于其丰富的来源与钾较低的氧化还原电位（-2.93 V vs. 标准氢电极），被视为下一代储能系统的有力竞争者，得到了研究者们持续的关注。尽管如此，传统的“摇椅”电池由于大半径的钾离子在正负极中出现的双重缓慢的半扩散限制，面临着迟缓的反应动力学的缺陷。最近，研究者们提出了一种由电池型负极与电容型正极所组成的钾离子混合电容器技术，分别具有法拉第与非法拉第反应机理。这种复合机理以及“手风琴”型的反应过程可以实现高功率与能量密度，并具有良好的循环寿命。

Ti₃C₂T_x MXene作为一种最受欢迎的2D材料，因其具有高金属导电性以及丰富的表面官能团被广泛地研究并应用于锂离子与钠离子电池。然而，Ti₃C₂T_x 在储钾方面的应用在很大程度上受不可忽视的堆叠问题影响。解决Ti₃C₂T_x和其他2D材料所共有的堆叠问题，对促进他们的广泛应用是十分必要的。其中，引入“支柱”或借助模板等方法均是有效的策略，但是不仅工艺复杂，且可能会引入一些低活物质。因此，开发一种通用的，简便的且不破坏2D材料原有特性的3D构造方法是非常有必要的，也是非常有前景的。

最近，哈尔滨工程大学曹殿学教授与朱凯教授团队在国际高水平学术期刊Advanced Functional Materials上发表题目为： Aggregation-Resistant 3D Ti₃C₂T_x MXene with Enhanced Kinetics for Potassium Ion Hybrid Capacitors Batteries的研究论文，提出了一种简易的喷雾-冷冻策略，成功制备了一种可以有效阻止堆叠问题的3D结构的Ti₃C₂T_x。本论文第一作者为方永正博士。

图1.3D-Ti₃C₂的形貌与结构表征。

图2. Ti₃C₂，Ti₂C和氧化石墨烯2D材料的3D形貌。

图3. 3D-Ti₃C₂电极的电化学表征。

图4. 3D-Ti₃C₂和2D-Ti₃C₂的电化学极化及浓差极化等动力学分析。

图5. 3D-Ti₃C₂和HPAC所组成的钾离子混合电容器的电化学性能。

本文提出了一种新型的可扩展的可喷雾-冷冻策略，可以用来将2D纳米片组装成3D结构。成功地制备了3D大孔的球/管Ti₃C₂T_x，微孔的Ti₂CT_x管和一种纳米卷的GO，成功地解决了2D材料在储能与电极制备过程中的堆叠问题。所制备的3D Ti₃C₂T_x 具有更短的离子传输路径与更大的比表面积，展现出了杰出的倍率性能与循环稳定性。在1A g^-1的电流度下进行10,000次循环后，具有122 mAh g^-1的比容量。此外，所组装的钾离子电容器以3D Ti₃C₂T_x作为负极，HPAC作为正极，展现出了高达98.4 Wh kg^-1的能量密度与7015.7 W kg^-1的功率密度。这项工作为较高储钾能力的实现提供了新的思路。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202005663

信息来源：MXene Frontie

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