电化学双层电容器电极用导电MXene复合粘合剂

背景

近年来，电化学双层电容器（EDLCs）因其快速稳定的充放电特性和高功率密度而备受关注。为了提高EDLCs的性能，有必要对电极进行全面的研究。然而迄今为止的大多数研究都致力于在保持导电性的同时增加电极材料的比表面积(SSA)。相比之下，关注EDLCs粘合剂设计的研究并不多。理想的EDLCs粘合剂必须对电极组件具有高粘附能力，并且应该是电子导电的。

全文导读

鉴于此，韩国蔚山大学的Eun-Suok Oh教授等人通过使用原位乳液聚合合成了一种由MXene粘土（MXC）和聚（丙烯腈-共-丙烯酸丁酯）（PANBA）组成的复合粘合剂。首次报道了使用原位聚合方法制备具有良好机械、粘附和导电性能的导电复合粘合剂。包含活性炭和MXene粘土/聚（丙烯腈-共-丙烯酸丁酯）（简称MXC/PANBA）复合粘合剂电极的EDLCs显示出8510 W kg-1的高比功率和23.6 Wh kg-1的高比能量。这是对仅包含活性炭和聚（丙烯腈-共-丙烯酸丁酯）的EDLCs电极的显著改进。优异的性能归因于粘合剂的高导电性和韧性，这是由于电极组件之间的相互作用得到了改善。相关论文成果以“Electronically conductive MXene clay-polymer composite binders for electrochemical double-layer capacitor electrodes”为题发表在Journal of Power Sources上。

图1所示：(a)MXCs、PANBA和MXC/PANBA粘合剂薄膜的拉曼光谱图。(b)PANBA和MXC/PANA粘合剂薄膜的FT-IR光谱。

图2所示：(a)MXC2 (Ti3C2Tx)粉末，(b)原位聚合的MXC2/PANBA和(c)物理混合的MXC2+PANBA的FE-SEM图像。

图3所示：(a)Nyquist图。(b)电化学双层电容器在100 mV s-1下经过10000次充放电循环后的CV曲线。

图4所示：(a)含有不同粘合剂的电化学双层电容器的倍率性能。在每个电流密度下进行20个循环。(b)每个电流密度下的电容保持率。

总结

作者首次采用原位聚合法合成了MXene粘土/聚（丙烯腈-共-丙烯酸丁酯）（MXC/PANBA）导电粘合剂。具有原位聚合MXC/PANB粘合剂的活性炭EDLC电极显示出比仅使用PANBA粘合剂（无MXene）更好的性能。此外，含MXC/PANBA的EDLCs在高达50 mA cm-2的非常高的电流密度下保持出色的性能，而含PANBA的EDLCs在如此高的电流下无法保持性能。研究表明与单独使用PANBA粘合剂的电极相比，带MXC/PANA粘合剂的活性炭EDLCs电极降低了电极电阻（电子、界面和电荷转移电阻）。MXC/PANBA中的强相互作用为电子在粘合剂膜中的运动提供了改进的途径。在PANBA中添加MXC可增强粘合剂乳液的物理稳定性和粘合剂膜的机械韧性，而不会单独影响PANBA的热和电化学稳定性。此外，PANA粘合剂中MXC不会严重堵塞活性炭中的孔隙。由于MXene粘土和PANBA之间通过原位聚合方法的优异相互作用，该粘合剂的性能增强归因于改善的导电性、韧性和对电极组件的附着力。总而言之，在非导电聚合物粘合剂中使用导电MXC是提高EDLCs高功率性能的有效方法。

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