大連化物所研制出MXene微型超級電容器

2022-03-04 09:12:25來源：大連化學物理研究所關鍵詞：微型超級電容器電容器閱讀量：23427

導讀：水系電解液在零度以下很容易結冰，導致離子導電性急劇下降。在高溫下電解液的結構非常不穩(wěn)定，很難保留內部的水分子。因此研制耐高壓、寬溫區(qū)的水系電解液仍存在挑戰(zhàn)。

　　近日，大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組(508組)吳忠?guī)浹芯繂T團隊與中科院沈陽金屬研究所、清華-伯克利深圳學院成會明院士合作，開發(fā)出一種安全、綠色、低成本的“氯化鋰包水”高濃水系電解液，并以此構建出寬溫區(qū)1.6V高電壓水系MXene微型超級電容器。

　　MXene作為一種新型二維材料，具有高的電導率和超高的體積電容，是微型超級電容器的關鍵材料之一。但是MXene在水系電解液中極易在高陽極電位下氧化，且受到水的電化學穩(wěn)定窗口的限制，導致工作電壓通常小于0.6V，極大地限制了MXene微型超級電容器的能量密度。此外，水系電解液在零度以下很容易結冰，導致離子導電性急劇下降。在高溫下電解液的結構非常不穩(wěn)定，很難保留內部的水分子。因此研制耐高壓、寬溫區(qū)的水系電解液仍存在挑戰(zhàn)。

　　基于以上問題，該合作團隊研制了一種低成本、環(huán)境友好的“氯化鋰包水”高濃水系電解液，通過調節(jié)MXene微電極與電解質之間的反應動力學，不僅有效抑制了MXene在高電位下的氧化，從而拓寬MXene微型超級電容器的工作電壓，而且能在較寬的溫度范圍內運行。研究發(fā)現(xiàn)，基于高濃氯化鋰凝膠電解液的對稱平面MXene微型超級電容器的工作電壓高達1.6V，體積能量密度可達到31.7 mWh/cm3。由于高濃氯化鋰凝膠電解液超高的離子電導率(69.5mS/cm)和超低的熔點(-57°C)，MXene微型超級電容器可以在-40°C到60°C的寬溫度范圍內正常工作，說明了其在極端環(huán)境中的實用性。該工作為構建水系高電壓寬溫區(qū)微型超級電容器提供新的研究思路。

　　在構建MXene基超級電容器和電池方面，吳忠?guī)泩F隊前期開發(fā)出多功能水系MXene墨水用于高電容電極、電池和傳感材料(Adv. Mater.，2021)、以及微型超級電容器(Adv. Energy Mater.，2021)；發(fā)展了離子液體預插層MXene微電極策略構建出高比能微型超級電容器(J. Mater. Chem. A，2019)；開發(fā)出三維MXene基無枝晶的鋰金屬負極(ACS Nano，2019)；提出了一步堿化MXene策略制備出MXene納米帶(Nano Energy，2017)，同時結合氧化處理獲得了MXene衍化超薄鈦酸鈉或鈦酸鉀納米帶，具有優(yōu)異儲鈉/鉀性能(ACS Nano，2017)。

　　相關研究成果以“Kinetic regulation of MXene with water-in-LiCl electrolyte for high-voltage micro-supercapacitors”為題，于近日發(fā)表在《國家科學評論》(National Science Review)上。該工作的第一作者是大連化學物理所508組博士后朱元元和鄭雙好副研究員。上述工作得到國家自然科學基金、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、遼寧省中央引導地方專項等項目的資助。(文/圖朱元元、鄭雙好)

　　原標題:大連化物所研制出寬溫區(qū)1.6V高電壓MXene微型超級電容器

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