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西南交大杨维清教授团队Nano Energy：一种高电压非对称MXene基芯片式微型超级电容器

来源：科学10分钟时间：2020-12-02 14:42:05 浏览：4558次

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研究成果

近日，西南交通大学的杨维清教授团队通过一种切割-喷涂的方法，采用非对称的结构设计，成功研制出一种基于MXene的高电压芯片式微型超级电容器。通过非对称结构设计，避免Ti₃C₂T_xMXene电极材料在过高的正电位产生极化从而导致材料的失效，单个器件在水系电解液中具有高达1.6 V的电压窗口，并且表现出7.8 mF cm^-2和36 F cm^-3的高面积和体积比电容，在10000次循环后，仍具有超过91.4 %的容量保持率，在100 mW cm⁻³的功率密度下仍保持3.5 mWh cm⁻³的能量密度。因此，该工作为MXene基微型超级电容器在芯片式电子器件和便携式电子设备中的集成与应用提供了新的思路和策略。该工作近期发表在Nano Energy上（Nano Energy. 2020, 104928）。

研究背景

近年来，随着物联网技术和无线通信技术的逐渐成熟，各种无线传感器件、便携和可穿戴电子设备得到了快速的发展。同时，也对储能装置提出了更高的要求。超级电容器作为一种介于电池与传统电容器之间的新型储能装置，具有循环寿命长、充放电速率快、环保、功率密度高、安全性高等优点，最有希望集成在上述器件与电子设备中。然而，电压窗口低和能量密度低的问题，始终限制着它的进一步应用。同时，MXene作为一种新型的二维材料，独特的层状结构赋予其良好的导电性和倍率性能，已广泛应用于储能领域的研究中。然而，MXene基芯片式微型超级电容器还处于初期的研究中。由于MXene在过高的正电位会产生极化的现象，导致器件的内阻升高直至最终失效，这也是MXene基芯片式微型超级电容器一直受限于电压窗口过窄的原因。因此，提高MXene基芯片式微型超级电容器的电压窗口，才能更有效地储存能量，拓宽其应用范围。

图文导读

高电压芯片式MXene基MSCs的设计与构筑

图1. 高电压芯片式MXene基MSCs的设计与构筑。

(a) 芯片式MSCs的内部结构和工作原理示意图；(b) 活性炭（AC）正极和MXene负极电极材料在三电极装置中10 mVs^-1扫速下的CV曲线。

切割-喷涂的制备方法在硅片上制备高电压MXene基芯片式MSCs示意图

图2. 切割-喷涂的制备方法在硅片上制备高电压MXene基芯片式MSCs示意图。

高电压芯片式MXene基MSCs的微结构与电极材料组分分析

图3. 高电压芯片式MXene基MSCs的微结构与电极材料组分分析。

(a) 高电压芯片式MXene基MSCs的实物图；(b) Ti₃C₂T_xMXene粉末和喷涂在硅片上的MXene的拉曼光谱；(c) Ti₃C₂T_xMXene粉末和喷涂在硅片上的MXene的XRD图谱；(d) 芯片式MSCs叉指指间间隙的宽度SEM图；(e-f) 正负电极的形貌和厚度截面SEM图。

单个高电压芯片式MXene基MSCs的电化学性能

图4. 单个高电压芯片式MXene基MSCs的电化学性能。

(a) 从5 到 200 mV s^-1扫速下的CV曲线；(b) 在100 μA cm^-2下对称型芯片式MSCs和非对称型芯片式MSCs的GCD曲线对比；(c) Nyquist图和拟合等效电路图；(d) 不同电流密度下的GCD曲线；(e) 计算得出的面电容值；(f) 器件的Ragone图。

排列单个高电压芯片式MXene基MSCs

图5. 排列单个高电压芯片式MXene基MSCs。

(a) MSCs三个串联和四个并联在直径为3.5英寸的硅片上；(b) 20 mV s^-1扫速下的CV曲线；(c) 20 μA cm^-2下两个单个、两个串联和两个并联MSCs的GCD曲线；(d) 两个串联的芯片式MSCs可以点亮一个商用LED灯；(e) 400 μA cm^-2下的循环稳定性（插图：不同循环周数下的CV曲线）。

研究小结

研究者通过一种切割-喷涂的方法，采用非对称的结构设计，成功研制出一种基于MXene的高电压芯片式微型超级电容器。非对称结构设计，避免了Ti₃C₂T_xMXene在过高的正电位产生极化从而导致材料的失效，使得单个器件在水系电解液中具有高达1.6 V的电压窗口。这项工作为MXene基微型超级电容器在芯片式电子器件和便携式电子设备中的集成与应用提供了新的思路和策略。

团队介绍

杨维清，西南交通大学材料科学与工程学院教授/博导，四川省第十二届政协委员，四川省杰出青年，2007和2011年分别获得四川大学硕士和博士学位，2011-2014年先后在电子科技大学和美国佐治亚理工学院从事博士后，2014年4月引进到西南交通大学材料学院教授博导，主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来，在Adv. Mater. (IF: 25.809), ACS Nano (IF: 13.903)，Nano Lett. (IF: 12.279), Adv. Funct. Mater. (IF: 15.621) 等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计150余篇，其中影响因子IF>10论文31篇，ESI高被引论文11篇，引用4900余次(Google Scholar)。主持国家自然基金、四川省杰出青年基金项目、教育部留学回国人员启动基金项目等多项省部级项目，担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家。申请专利40项(已授权18余项)。所做的工作被美国知名网站美国国家自然基金委（NSF)、Newscientist，CCTV等近20家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国储能网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。也是Newscientists（科技媒体世界排名第一，见百度）首次报道西南交通大学的科研工作。相关科研成果在北京科技展和中关村科技展上，受到国务院副总理刘延东、中科院院长白春礼院士和中科院北京分院院长何岩院士的高度评价，受邀参加中国国际广播电台名人坊节目专访。

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