ACSAEM：MXene基“对称”超级电容器和氧化还原电解质储能

【研究背景】

近年来，化石燃料的过度使用引起了突出的问题（能源危机）。同时，与能源危机有关的问题日益严重，促使新能源的开发利用迅速发展。因此，高效储能装置的发展已成为全球关注的焦点。考虑到循环性能和功率密度，超级电容器（SC）的性能优于其他许多电化学储能设备，从而引起了全世界的关注。在对于SC广泛研究的电极材料中，Ti₃C₂T_x（MXene）具有出色的物理和化学性质，使其成为SC的有前途的电极材料。

【成果简介】

最近，西安交通大学Wenxiu Que教授，Ya-Ping Du教授与深圳技术大学Lingbing Kong教授合作在国际知名学术期刊ACS Applied Energy Materials上发表一篇题目为：Understanding MXene Based “Symmetric” Supercapacitors and Redox Electrolyte Energy Storage的研究论文，该研究通过原位拉曼光谱和X射线衍射对基于Ti₃C₂T_x的对称SC进行研究，结果表明Ti-O的氧化还原与氢离子的键合/去键合发生在负极上，而正极主要涉及嵌入水合氢离子的赝电容。同时，H₂SO₄电解质中两个电极之间的电压不对称分配。由于正电极的部分氧化，负极表现出比正极大得多的电容。因此，提出了通过将氧化还原活性物质（KI）引入传统的H₂SO₄电解质中的策略。结果表明，将正极转换为电池型电容，扩大了负极的工作电势范围，从而显着提高了SC的电容。此外，基于Ti₃C₂T_x的SC在混合电解质中的能量密度为33.2 Wh L^-1，远高于H₂SO₄电解质的能量密度（14.3 WhL^-1）。这种方法可作为提高基于MXene的SC的储能能力的高效策略。

【图文导读】

图1.（a）Ti₃C₂T_x纳米片的TEM图像及其晶体结构示意图 （b）Ti₃C₂T_x膜的横截面SEM图像 （c）Ti₃C₂T_x膜和Ti₃AlC₂粉末的XRD图谱

图2.（a）基于MXene的对称SC的CV曲线。正极和负极的（b）CV曲线和（c）GCD曲线（d）质量比电容

图3. 负极（a）和正极（b）的原位电化学拉曼光谱（c）正电极的选定光谱和洛伦兹拟合带（d）对称SC的工作机理示意图

图4.（a）混合电解质中MXene电极的CV曲线 （b）MXene电极不同电解质中的CV曲线 （c）在不同电解质中MXene电极的b值 （d）H₂SO₄电解质中电容性电容对总电容的贡献（e）混合电解质中电池型电容对的总电容的贡献 （f）不同电解质中正极对总质量电容的贡献

图5.（a）混合电解质中SC的CV曲线 （b）不同电解质中SC的CV曲线 （c）混合电解质中SC，正极和负极的GCD曲线。H₂SO₄和混合电解质中SC的实际电容（d）和虚构电容（e）随频率的变化（f）在不同扫描速率下的质量电容和体积电容 （g）H₂SO₄和混合电解质中SC的Ragone图 （h）混合电解质中基于Ti₃C₂T_x的SC在10 A g^-1下的循环性能

【本文总结】

本文证实了基于Ti₃C₂T_x薄膜的“对称”SC在H₂SO₄电解质中的负电极和正电极之间表现出不对称的电压分裂，其中SC的储能性能受到正电极较低的储能能力的限制。负电极的电化学反应涉及Ti-O的氧化还原，伴随水合氢离子的键合/解键，而HSO₄^-和SO₄^2-的吸附/解吸也存在于插层中氢离子的脱嵌。通过向传统的H₂SO₄电解质中添加氧化还原活性物质（即KI），可以增加正极的电容，从而将正极转换为电池类型，可以大大提高SC的能量密度。另外，正极的储能能力的提高可归因于将I_3- / I_-插入MXene中。SC的体积能量密度高达33.2Wh L^-1，这明显优于原始SC的体积能量密度。由于增加的层间距，在混合电解质中10,000次循环后，SC可以保留113.5％。因此，本方法可以作为具有高能量密度的基于MXene的存储系统的参考。

文献链接：

https://doi.org/10.1021/acsaem.0c00527

信息来源： MXene Frontier