超级电容器电极新思路：基于MXene和电化学剥离石墨烯的复合膜

     近年来，柔性、微型能源储存装置由于其柔韧和轻便等特点，在可穿戴电子设备、智能皮肤和便携式智能手机等方面展现出巨大的应用前景。其中，柔性的全固态超级电容器具有结构简单、制作方便、功率密度高、充放电快速、以及循环寿命长等优点，成为了能源储存器件的研究重点。


    目前，全固态超级电容器主要包含两种结构：传统的三明治结构的固态超级电容器和平面结构的微型超级电容器。而高性能的超级电容器的电极材料需要有较好的电化学稳定性、较高的电导率和优异的电容性能。


    作为一种新型的过渡金属碳化物（一个过渡金属和一个第三或第四族的元素（如Al, Ge, Si等）以及碳或氮元素组成的化合物），MXene（如Ti3C2Tx）因其特有的二维层状结构、较高的导电性以及化学稳定性和热稳定性，广泛地应用在锂离子电池、超级电容器和电催化反应中。然而研究发现，MXene的尺寸（≈200 nm）相对较小，不利于构建高性能、柔性的大面积薄膜型全固态超级电容器电极。 


    德累斯顿工业大学冯新亮教授，庄小东博士和中国科学院长春应用化学研究所牛利研究员（共同通讯作者）以此为着眼点，合作制备了基于MXene和电化学剥离的石墨烯纳米复合物薄膜电极，并将其应用到传统的固态超级电容器和平面的微型超级电容器中。


    该复合膜具有两方面的优势：其一，电化学剥离的高质量的石墨烯层可以作为整个膜电极的机械支架，进一步的增强膜电极整体的柔性、稳定性和长程导电性；其二，MXene纳米片穿插在石墨烯片层之间，可以提供大量的层间距，有利于充放电过程中离子的快速嵌入和脱嵌。


    到的膜电极在组装成传统对称柔性超级电容器后，在0.1 A cm-3的电流密度时，其体积电容高达216 F cm-3，同时在2500次充、放电循环后，比容量仍能保持85.2%。另外，通过掩膜版喷涂溶液相的MXene/电化学剥离石墨烯墨水制备的叉指状微型超级电容器，在5 mV s-1的循环伏安扫描速度下，其面积电容和体积电容分别高达3.26 mF cm-2和33 F cm-3，这些性能指标高于目前大部分同类文献所报道的数值。


    随后，对此微超级电容器进行弯折的柔性状态下进行循环测试，在2500次循环充放电之后，其电容性能依然可以保持82%。值得关注的是，在该工作中，我们利用自制的电化学剥离装置制备出的电剥离石墨烯具有高产率，高碳氧比和高分散性等特点。


    该工作通过电极结构的优化设计，利用简单的方法制备了高性能的超级电容器电极材料，这为制备低成本、高效率的柔性储能器件开辟了一条新思路。