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MXene再发Nature:电极厚度与电性能可兼得

古人云:鱼和熊掌不可兼得。长久以来在电化学领域,活性层厚度与电性能不可兼得的是所有研究者都面临的难题。在新能源产业日益发展的今天,人们对高能量密度器件的需求使得这一问题更加突出。那么,且看此文作者是如何解决这一问题的。

MXene再发Nature:电极厚度与电性能可兼得

第一单位:德雷克塞尔大学&美国宾夕法尼亚大学

通讯作者:Yury Gogotsi & Shu Yang

具有高能量、高功率密度厚活性涂层电极的可扩展性和可持续性制造对于高能器件的制备至关重要。在传统的电极制造方法中,电极电化学性能高度依赖于活性涂覆层的厚度,这限制离子在厚活性层中的传输,故而极大地影响电极的电化学性能。以前,多种策略被用于促进离子在电极涂层中的快速传输,例如通过嵌入法来增加层间距或通过设计纳米结构提高涂层的孔隙率,但效果依旧一般。

二维薄片的垂直取向能使定向离子迁移,从而避免了厚度对电化学性能的限制。但是,迄今为止成果有限,而性能的损失仍然是最主要的问题。在这里,Yury Gogotsi & Shu Yang为我们展示了MXene系列材料二维碳化钛(Ti3C2Tx)与厚度无关的电化学储能。在非离子表面活性剂,六甘醇单十二醚(C12E6)的辅助下,作者通过机械剪切的方法可使得Ti3C2Tx的盘状片垂直排列(通过这种方法得到的电极称为MXLLC)。MXLLC电极表现出优异的,且几乎与膜厚度无关的电化学性能。即使厚度高达200微米,MXLLC电极性能依旧完美。此外,这里介绍的自组装方法是可扩展的,可以扩展到涉及定向运输的其他系统,如催化和过滤。

MXene再发Nature:电极厚度与电性能可兼得

图1. MXene膜中的离子迁移示意图 

MXene再发Nature:电极厚度与电性能可兼得

图2. 真空过滤的MXene膜和MXLLC膜的电化学分析。

为了证明在电化学能量储存装置中使用垂直排列的MXene纳米片作为电极的可能性,作者研究了将其作为超级电容器电极的电化学性能。以传统的MXene膜作对比,作者发现MXene膜厚度达到35μm时则失去了Ti3C2Tx的大部分赝电容特性,而MXLLC膜厚度在40μm至200μm时,大部分的氧化还原峰保持独立,这表明增强的离子传输性质与厚度无关。随着扫描速度增加到10000 mV/s,膜厚度达到200μm的电性能信号仍未失真。此外,阻抗图谱中MXLLC电极的曲线在所有频率处几乎都是垂直的,再次表明快速离子扩散与厚度无关。

MXene再发Nature:电极厚度与电性能可兼得

图3. 真空过滤得到的MXene膜和MXLLC膜的电化学性能

MXLLC涂层厚度从40μm增加到200μm倍率性能只有轻微下降。当涂层厚度小于200μm时,所有MXLLC电极的电容性能均优良。制成的MXLLC电极本身结果也非常稳定,在20 A/g的电流密度下,恒流循环20000次后,其电容几乎保持100%。当扫描速率为1000-2000 mV /s时,在2.80至6.16 mg/cm2活性物负载量范围内,不同MXLLC膜的面电容基本相同,这表明使用垂直排列的MXenes可以使厚电极在大电流密度下正常工作。

作者提出的通过自组装得到的垂直排列的液晶相Ti3C2Tx解决了电化学领域长久以来活性层厚度与电性能不可兼得的难题,在大幅度增加涂层的厚度的同时,其性能并未下降,且其总容量还大幅度增加,这对于电化学储能领域来说无疑是个爆炸性消息。不仅如此,这种自组装的方法还是可扩展的,由于离子传输与厚度无关,这在其他领域(如催化和过滤)也有极大的前景。另外或许这种方法将来在高能电池领域也会有所应用。

 

参考文献:

Yu Xia, Tyler S. Mathis, Meng-Qiang Zhao, Babak Anasori, Alei Dang, Zehang Zhou, Hyesung Cho, Yury Gogotsi & Shu Yang, Thickness-independent capacitance of vertically aligned liquid-crystalline MXenes, Nature, 557, 409–412 (2018) 

 

有关MXene的谷歌学术高被引TOP5文章:

  1. 25th anniversary article: MXenes: a new family of two‐dimensional materials

    (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201304138)

  2. Are MXenes Promising Anode Materials for Li Ion Batteries? Computational Studies on Electronic Properties and Li Storage Capability of Ti3C2 and Ti3C2X2 (X = F, OH) Monolayer

    (https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja308463r)

  3. Electromagnetic interference shielding with 2D transition metal carbides (MXenes) (http://science.sciencemag.org/content/353/6304/1137)

  4. Two-Dimensional, Ordered, Double Transition Metals Carbides (MXenes)(https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b03591)

  5. 2D metal carbides and nitrides (MXenes) for energy storage

    (https://www.nature.com/articles/natrevmats201698)

 

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