研究速覽

■?近日，吉林大學(xué)高宇副教授團(tuán)隊(duì)，在國際知名期刊Energy Storage Materials上發(fā)表題為“Flexible solid-state supercapacitor integrated by methanesulfonic acid/polyvinyl acetate hydrogel and Ti3C2Tx”的研究論文。

該論文利用新型甲基磺酸/聚乙烯醇水凝膠膜和Ti3C2Tx材料制備了柔性固態(tài)超級(jí)電容器。該固態(tài)超級(jí)電容器性能優(yōu)異，電容和倍率性能甚至超過了對(duì)應(yīng)水系電解液中超級(jí)電容器表現(xiàn)。作者對(duì)其性能優(yōu)異的原因進(jìn)行了討論。

Part1

▉? 研究摘要? ▉

■?MXene材料作為一類快速發(fā)展的電極材料，在固態(tài)超級(jí)電容器電極領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多令人矚目的進(jìn)展。目前，有關(guān)優(yōu)化MXene基固態(tài)超級(jí)電容器表現(xiàn)的研究大多集中于優(yōu)化MXene電極上。然而，目前基于MXene的固態(tài)超級(jí)電容器性能仍然無法超過液態(tài)電解質(zhì)中超級(jí)電容器表現(xiàn)。

■?在本論文中，作者通過優(yōu)化電解質(zhì)的方式優(yōu)化MXene柔性固態(tài)超級(jí)電容器表現(xiàn)。通過簡單凍融法制備了綠色高電導(dǎo)率和耐低溫的甲基磺/聚乙烯醇電解質(zhì)。利用該電解質(zhì)制備的柔性固態(tài)超級(jí)電容器（FT-SSS）相比常規(guī)涂布電解質(zhì)方法制備的固態(tài)超級(jí)電容器性能更高，具有高比面積電容（1719 mF cm-2）、長循環(huán)壽命(92%, 80000 cycles)、耐低溫性能（-30 ℃）和柔性。更重要的是，其電容和倍率性能甚至高于對(duì)應(yīng)的液態(tài)電解質(zhì)下的超級(jí)電容器（AQS）。FT-SSS在1000 mV s-1掃速下比面積電容器相比AQS增加127%。通過EDS、XPS和XRD表征分析可知，電極制備過程中，甲基磺酸根離子預(yù)插入到Ti3C2Tx電極中，形成了彎曲多孔的電極結(jié)構(gòu)，降低了堆疊作用，增加了電極材料可接觸性。除此之外，Ti3C2Tx表面羥基官能團(tuán)和物理吸附于羥基的水含量增加，進(jìn)一步提升了Ti3C2Tx贗電容表現(xiàn)。

Part2

■ 研究要點(diǎn)1：

利用甲基磺酸/聚乙烯醇電解質(zhì)制備的FT-SSS性能優(yōu)于相同質(zhì)量抽濾MXene膜電極和相同濃度酸的水系電解液中超級(jí)電容器AQS的性能。這是由于制備的固態(tài)超級(jí)電容器動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)于對(duì)應(yīng)液態(tài)電解液的超級(jí)電容器。

■ 研究要點(diǎn)2：

作者進(jìn)一步對(duì)FT-SSS電化學(xué)性能進(jìn)行表征，并且討論了載量的影響。發(fā)現(xiàn)FT-SSS具有高比面積電容，最高比面積電容可達(dá)1719 mF cm-2；具有長循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)過80000圈長循環(huán)，容量保持率為92%。還具有優(yōu)異的能量密度和功率密度。

■?研究要點(diǎn)3：

作者探究了FT-SSS性能優(yōu)異的原因。通過對(duì)電極材料的表征，發(fā)現(xiàn)甲基磺酸根離子預(yù)插入Ti3C2Tx電極中，使電極呈現(xiàn)彎曲多孔的結(jié)構(gòu)，其（002）峰寬化并且向左偏移，堆疊效應(yīng)降低，電極可接觸性增加。并且電極中羥基和物理吸附于羥基的水含量上升，有助于提升Ti3C2Tx的贗電容儲(chǔ)能表現(xiàn)。

■ 研究要點(diǎn)4：

作者對(duì)FT-SSS實(shí)際應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行了測試。測試了FT-SSS耐低溫性能、柔性、可穿戴性等。

Part3

▉? 研究總結(jié)? ▉

■?作者采用簡單的凍融法制備了甲基磺酸/聚乙烯醇柔性固態(tài)電解質(zhì)。接著利用簡單涂布法制備了柔性固態(tài)超級(jí)電容器。該超級(jí)電容器具有優(yōu)異的動(dòng)力學(xué)，使得其具有優(yōu)異的電化學(xué)表現(xiàn)。最突出表現(xiàn)為：其電容和倍率性能可以超越對(duì)應(yīng)液態(tài)電解液中超級(jí)電容器表現(xiàn)。作者對(duì)電極材料進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)電極材料動(dòng)力學(xué)提升，贗電容性能提升。該工作為提升MXene固態(tài)超級(jí)電容器表現(xiàn)提供了新的思路，為未來固態(tài)超級(jí)電容器領(lǐng)域研究提供了更多的可能性。

■?文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.09.037