Nature Communication：最大化离子可及性“打结”型MXene-CNT复合电极

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在电容型储能器件中，电荷的储存始于电解液离子在电极材料的表面或活性位点的吸附。电极表面离子可及的部分有助于电荷的存储。因此，离子可及性可以影响储能器件的电容或容量。这种影响在高速率或低温下更为明显，尤其是在使用有机电解液的情况下。

在有机电解液中提升离子可及性的主要有两个方向：电解液和电极结构的改性。改进电极结构本身来提高离子可及性，最常用的方式包括在电极材料表面通过化学刻蚀引入多孔，通过表面化学改进增加层间距或通过“支柱”材料插层组织二维材料的重堆叠。这些方法虽然可以提高2D电极材料（如MXene）的层间距，2D层在垂直方向上仍然存在堆叠的问题。因此离子在电极材料中的传输在常规方向上会非常缓慢，这也成为了高速率和低温工作中的主要障碍。

最近，华中科技大学Ming Xu教授和美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授在国际知名学术期刊 Nature Communication上发表题目为： Maximizing ion accessibility in MXene-knotted carbon nanotube composite electrodes for high-rate electrochemical energy的研究论文，报道了一种新型MXene-碳纳米管（CNT）复合电极具有最大化的离子可及性，在低温条件下具有杰出的倍率性能。

图1.结状的MXene-CNT复合电极高效离子传输的设计

图2. 结状的CNT和MXene-CNT复合电极的表征。

图3.结状的MXene-CNT复合电极在一种有机混合电解液中的电化学性能分析。（EMIM:Li-TFSI=1:1）

图4. 非对称器件的电化学性能测试。

在有机电解液中，电极材料的结构可以影响材料的倍率性能。所制备的多节的CNTs与MXene-CNTs复合电极在混合有机电解液中展示出了较高的容量保留率，在扫描速率范围从10mV s^-1增长到10 V s^-1时，可以保留56%的电容。多节的CNT中的大尺寸结状结构对于破坏Ti₃C₂片的排列方式至关重要，进而会使离子的传输路径具有较低的曲折程度并增强离子可及性。这使Ti₃C₂ MXene基超级电容器在低温工作时的性能得到提升，当工作温度从20℃降低到-60℃时，可以具有约55%较高的电容保留率。这项工作证明了赝电容材料在其结构得到优化设计后，可以用于在有机电解液中的高速率能量存储。