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2022年3月21日,Nano Research Energy創(chuàng)刊主編,香港城市大學(xué)支春義教授發(fā)表題為“Building durable aqueous K-ion capacitors based on MXene family”的最新研究成果。 超級電容器被廣泛應(yīng)用于各種場景的供能電源,比如可穿戴電子供能器件和大規(guī)模儲能等各個(gè)領(lǐng)域。相對于廣泛應(yīng)用的鋰離子電容器,鉀元素在地球上有著豐富的存儲量,有望構(gòu)筑低成本電容器。然而,水系鉀離子電容器的低能量密度是其進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。相對于常見的基于吸附-解吸附的雙電層電容器,贗電容主導(dǎo)的電容器表現(xiàn)出大幅度提高的能量密度。但是,基于贗電容主導(dǎo)的嵌入脫出型或表面氧化還原型電極材料會在長循環(huán)過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性衰退,導(dǎo)致不盡人意的循環(huán)穩(wěn)定性。因此,發(fā)展用以存儲鉀離子以贗電容主導(dǎo)的高比能電極材料,并兼顧其循環(huán)穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)高能量密度與長循環(huán)鉀離子電容器的關(guān)鍵問題。 針對以上問題,支春義教授團(tuán)隊(duì)采用了不同的 MXene Nb2C, Ti2C and Ti3C2 材料作為儲鉀電極材料,并橫向比較了三者的儲鉀性能。基于MXene材料自身良好的導(dǎo)電性,以及表面豐富的氧化還表面基團(tuán)作為贗電容的相互作用位點(diǎn),同時(shí)極大的層間距用以嵌入脫出型存儲鉀離子,MXene均實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的儲鉀性能。其中,以Nb2C MXene的K離子電容器性能最為突出,其最高功率密度為2336 W/kg,能量密度為24.6 Wh/kg,表現(xiàn)出優(yōu)異的儲鉀能量密度。當(dāng)與有機(jī)負(fù)極物苝四甲酰二亞胺PTCDI配對構(gòu)建鉀離子電容器時(shí),Nb2C║PTCDI的電容器在5 A/g的電流密度下30,000次循環(huán)后,電容器的容量保持為初始容量的 94.6 ,展示出超穩(wěn)定的循環(huán)穩(wěn)定性圖1。MXene作為超穩(wěn)定的儲鉀電極材料,為發(fā)展后續(xù)其它水系鉀離子電極材料提供了良好的借鑒。
圖1:基于 MXene家族電極材料的超快、超穩(wěn)定水系鉀離子電容器. a三種不同 MXene電極材料的儲鉀過程示意圖;b水系鉀離子電容器器件示意圖;c Nb2C的鉀離子電容器在大電流下的超快存儲與超穩(wěn)定循環(huán)穩(wěn)定性。 作為Nano Research姊妹刊,Nano Research Energy ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119創(chuàng)刊于2022年3月,由清華大學(xué)主辦,清華大學(xué)曲良體教授和香港城市大學(xué)支春義教授共同擔(dān)任主編。Nano Research Energy是一本國際化的多學(xué)科交叉,全英文開放獲取期刊,聚焦納米材料和納米科學(xué)技術(shù)在新型能源相關(guān)領(lǐng)域的前沿研究與應(yīng)用,對標(biāo)國際頂尖能源期刊,致力于發(fā)表高水平的原創(chuàng)性研究和綜述類論文。 |
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