Yury Gogotsi团队Small：导电聚合物@碳化钛MXene复合正极助力超高性能非对称超级电容器

引言

赝电容电容器是一种介于电池和双电层电容器之间的储能设备，其通过表面氧化还原反应或者离子插层来实现电化学能源的存储，不受扩散控制的制约，因而具有更高的功率密度和循环稳定性，近些年来受到越来越多的关注。MXenes是一类具有金属导电内核和类过渡金属氧化物表面的二维层状碳化物或者氮化物，这种特殊的结构赋予其超高的电化学性能，比如Ti₃C₂T_xMXene水凝胶体积比容量可高达1500 F cm^-3。但由于MXene易于被氧化，MXene和MXene基复合材料只能用作超级电容器的负极。

成果简介

最近，美国Drexel University的Yury Gogotsi教授团队报道了一种高性能导电聚合物@碳化钛MXene复合正极材料。团队研究人员首先以PS球为模板制备了3D Ti₃C₂T_x薄膜，通过浇筑聚苯胺 (PANI) 并机械压缩后，得到自支撑PANI@M-Ti₃C₂T_x复合薄膜。电化学测试发现，当Ti₃C₂T_xMXene与PANI或者PEDOT:PSS复合后，复合薄膜的耐电化学氧化能力显著增强，这主要是由于复合材料更高的功函数引起的稳定性的增加。此外，由于PANI的高比容量和Ti₃C₂T_x的高电导性，PANI@M-Ti₃C₂T_x复合正极在3 M H₂SO₄电解液中表现出创纪录的体积比容量 (10 mV s^-1下1632 F cm^-3) 和倍率性能 (5000 mV s^-1下827 F cm^-3)。最后，研究人员以机械压缩后的Ti₃C₂T_x(M-Ti₃C₂T_x) 为负极，以PANI@M-Ti₃C₂T_x为正极，构建了一个超高性能的非对称赝电容器。该非对称电容器最高体积能量密度和最高功率密度分别高达50.6 Wh L^-1和127 kW L^-1。相关成果以“An Ultrafast Conducting Polymer@MXene Positive Electrode with High Volumetric Capacitance for Advanced Asymmetric Supercapacitors”发表于Small期刊上，论文第一作者为李科和王雪杭。

图文导图

图一、PANI@M-Ti₃C₂T_x正极的制备示意图和相关形貌结构表征图

(a-f) PANI@M-Ti₃C₂T_x正极的制备示意图

(g) Ti₃C₂T_x@PS薄膜SEM图

(h) 3D M-Ti₃C₂T_x薄膜SEM图

(i) 3D PANI@M-Ti₃C₂T_x薄膜SEM图

(j) 3D PANI@M-Ti₃C₂T_x薄膜EDS Mapping图

(k) 3D PANI@M-Ti₃C₂T_x薄膜TEM图

(i) PANI@M-Ti₃C₂T_x薄膜SEM图

图二、PANI@M-Ti₃C₂T_x正极电化学性能

(a) PANI@M-Ti₃C₂T_x正极不同扫描速率下CV曲线

(b) 不同负载量PANI@M-Ti₃C₂T_x正极的倍率性能

(c) PANI@M-Ti₃C₂T_x正极大电流密度下GCD曲线

(d) 不同负载量的PANI@M-Ti₃C₂T_x正极的b值

(e) PANI@M-Ti₃C₂T_x正极中表面电容的贡献

(f) PANI@M-Ti₃C₂T_x正极不同电压下EIS曲线

图三、DFT理论计算

(a) 还原态PANI结构

(b) Ti₃C₂(OH)₂结构

(c) 还原态PANI@Ti₃C₂(OH)₂复合材料结构

(d) 三种材料的功函数

图四、非对称电容器电化学性能

(a) M-Ti₃C₂T_x负极和PANI@M-Ti₃C₂T_x正极的CV曲线

(b) M-Ti₃C₂T_x//PANI@M-Ti₃C₂T_x非对称电容器CV曲线

(c) M-Ti₃C₂T_x//PANI@M-Ti₃C₂T_x非对称电容器GCD曲线

(d) 不同负载量M-Ti₃C₂T_x//PANI@M-Ti₃C₂T_x非对称电容器能量和功率密度

小结

综上所述，作者开发了一种导电聚合物@碳化钛MXene的高性能正极材料，并通过第一性原理计算验证了其在正向电压下更高的电化学稳定性。由于PANI的高比容量和MXene的高导电性，复合正极表现出超高的体积比容量 (10 mV s^-1下1632 F cm^-3) 和倍率性能 (5000 mV s^-1下827 F cm^-3)。基于纯 Ti₃C₂T_x负极和PANI@M-Ti₃C₂T_x复合正极的非对称赝电容器最高体积能量密度高达50.6 Wh L^-1，即使在超高的功率密度127 kW L^-1下，体积能量密度依旧有24.4 Wh L^-1。该研究表明，通过将MXene与具有氧化还原活性且功函数更高的材料复合，可使MXene在正向电压下稳定工作。同时，氧化还原活性材料与MXene之间的协同作用有利于进一步增强复合材料的综合性能。该研究开拓了一种设计高性能MXene基复合正极材料的方法，对电化学能源存储与转换领域研究具有一定的指导意义。

本文由Yury Gogotsi团队供稿。

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