ACSAEM:MXene基“对称”超级电容器和氧化还原电解质储能
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详细介绍

【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,Ti3C2Tx(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Ti3C2Tx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Ti3C2Tx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)Ti3C2Tx纳米片的TEM图像及其晶体结构示意图 (b)Ti3C2Tx膜的横截面SEM图像 (c)Ti3C2Tx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Ti3C2Tx的SC在10 A g-1下的循环性能


【本文总结】

本文证实了基于Ti3C2Tx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SO42-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I3- / 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

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