MXene储能：电容vs. 赝电容

【研究背景】

与日俱增的对廉价且清洁的能源研发已经成为了当今社会的迫切需求。对于可再生能源的利用是系统性问题，尤其是负载水平的平衡问题。电池与电化学电容器是用最广泛的电化学储能系统，很多研究者致力于实现在不同领域中改善性能，如电网与电动汽车。比如，超级电容器可以实现快速的充放电，这对于可再生能源在实际中的应用十分重要。

超级电容器具有不同的电荷储存机理。双电层电容（EDLCs）是通过在电极/电解液界面形成的双电子层进行储能。EDLCs可以稳定实现几百万次的充放电循环，这得益于其没有结构变化的非法拉第储存电荷方式。基于在原子尺寸上对储能机理的理解，制备高比表面积的电极是提升电容的有效策略。另一种被称为赝电容器，通过表面快速的法拉第氧化还原反应进行储存电荷，其基质分为很多种，分为欠电势沉积，量子电容，氧化还原电容以及插层赝电容。其性能处于EDLCs与锂离子电池之间，非常适合应用于10 s~10 min的应用。

MXenes作为一种新兴的2D材料，在水系电解液中表现出了阳离子插层行为并具有类矩形的循环伏安曲线，是一种电容器的电极。然而，在非水系电解液中，MXenes展示出了赝电容行为，具有高度失真的类矩形循环伏安曲线。研发高性能的MXene基电容器，理解MXene电极的电容行为与赝电容行为十分重要。

【成果简介】

最近，日本京都大学Yasunobu Ando博士，在国际知名学术期刊Advanced Functional Materials上发表题目为：Capacitive versus Pseudocapacitive Storage in MXene的研究论文，研究认为，从电子状态的角度来说，水合作用可以阻止MXene与插层离子的轨道耦合，进而形成双电子层与电容行为。然而，一旦离子部分脱水并且在MXene的表面吸附，由于离子与MXene的耦合作用，尤其是与表面官能团，电子转移会导致赝电容行为的产生。

【图文导读】

图1. 插层离子的模拟模型与PDOS。

表1. 对于MXene各种插层离子的模拟结果。

图2. 考虑到水合作用的锂原子在MXene电极的优化位点

表2. 对于MXene锂吸附优化位点的模拟结果。

图3. 锂原子与表面官能团的PDOS。

图4. MXene电极电容与赝电容行为示意图。

【本文总结】

本文通过3D-RISM DFT复合模拟探究了MXenes的电荷储存机理。当完全水合离子插层进入MXene的层间时，电荷分离被保留，并且在层间区域形成双电子层。然而，对于一些直接吸附在MXene表面的部分去水合离子，由于离子与MXene的耦合作用，尤其是与表面官能团，发生了电荷的再分配。电子转移抵消了在电极/电解液界面所产生的电势差，进而具有赝电容行为。无论MXene电极是属于电容还是赝电容行为，均取决于在电极/电解液界面所产生的电势差，与插层离子与表面官能团的反应。

文献链接：

DOI:10.1002/adfm.202000820

信息来源： MXene Frontier