沈國震&陳愛兵Nano-Micro Letters：連續制造的Ti3C2Tx?MXene基編織式同軸鋅離子混合超級電容器

【引言】

纖維電子器件是近年來新開發的一種柔性器件，具有獨特的超柔性、形狀適應性和可編織性，可進行彎曲、拉伸、扭曲等多種變形。目前，不同種類的纖維器件，如纖維發生器、傳感器、探測器等已經被報道。這些纖維器件越來越多地尋求與之匹配的纖維儲能，以實現穩定、獨立、完整的應用圈。纖維儲能的典型設計包括纖維鋰離子電池、超級電容器（SCs）、混合超級電容器。纖維混合超級電容器（FSC）采用金屬離子作為負極，具有高容量、超長使用時間、高安全性，由于其在可穿戴電子設備、智能服裝和多功能集成紡織品中的廣泛應用而得到了良好的發展。作為混合FSC的一個重要分支，鋅離子基FSC具有高理論容量（820 mAh g^-1和5855 mAh cm^-3）、高安全性、無毒性、低成本、資源豐富和重量輕等優異特性，被認為是一種理想的能源供應單元。盡管對鋅離子混合SCs的研究很多，但對鋅離子基FSC的研究相對較少。具有2D結構的碳化物和氮化物（MXenes）由于其高導電性（高達20,000 S cm^-1）和出色的體積比電容（高達1500 F cm^-3），已被證明是制備鋅離子混合SC的正極材料。此外，與石墨烯、碳納米管等傳統疏水碳材料不同，MXenes含有豐富的表面官能團，具有親水性，適合于溶液處理和通過噴涂、印刷、涂布等方式制造纖維器件。遺憾的是，基于Ti₃C₂T_x?Mxene的鋅離子FSC在以往的文獻中鮮有報道，Zn//Ti₃C₂T_x?MXene FSC的制作原因和難度總結為以下三點：1）超長電極的制備，保證FSC的連續制造。2）優化FSC的結構，以提高組裝后的器件的電化學性能。3）選擇固態電解質，使FSC具有穩定耐磨的特性。為了解決上述問題，首先需要設計用于制備超長Ti₃C₂T_x纖維正極和Zn負極的動態浸鍍電沉積設備。其次，FSC通常分為兩種主要類型，包括纏繞式和同軸結構。實驗結果表明，同軸結構比纏繞結構具有更好的性能。同軸FSCs可以進一步分為編織式和纏繞式兩種形式。平行交叉網狀結構的編織殼電極電阻小，更容易收集和傳遞電荷，有望獲得更好的性能。此外，編織式同軸FSC可以將纖維編織成連續的管狀結構，實現同軸FSC的連續超長制造。最后，需要合成新型的全固態電解質。

【成果簡介】

近日，在中國科學院大學沈國震研究員和河北科技大學陳愛兵教授團隊等人帶領下，提出了一種編織同軸鋅離子混合FSC，以數米長的Ti₃C₂T_x?MXene正極為核心電極，殼狀鋅纖維負極被編織在Ti₃C₂T_x?MXene纖維的表面，穿過固體電解質。根據ANSYS Maxwell軟件的模擬結果，編織結構比彈簧式結構具有更高的電容值。在5 mV s^-1下，FSCs具有高達214 mF cm^-2的面積比電容，42.8 μWh cm^-2的能量密度，循環5000次后容量保持率為83.58%，具有出色的循環穩定性。同軸FSC系上多種結，證明了一種形狀可控的纖維儲能。此外，編織的FSC顯示出卓越的穩定性和可編織性，可以編織成手表帶或嵌入紡織品中，為智能手表和LED陣列提供幾天的電力。該成果以題為“Continuous Fabrication of Ti₃C₂T_x?MXene-Based Braided Coaxial Zinc-Ion Hybrid Supercapacitors with Improved Performance”發表在了Nano-Micro Letters上。

【圖文導讀】

圖1 纏繞式同軸FSC結構示意圖

a）MXene和鍍鋅纖維和編織同軸FSC的大規模生產示意圖。

b）FSC的SEM圖像。

c）FSC表面鋅元素分布圖。

d）同軸FSC的橫截面SEM圖像。

圖2 編織和纏繞同軸FSCs的比較

a）纏繞同軸FSC結構示意圖。

b）纏繞同軸FSC的SEM圖。

c）編織和纏繞同軸FSCs的面積比電容比較。

d, g）兩種同軸FSCs的3D模型。

e,h）編織和纏繞同軸FSCs的模擬電壓分布。

f, i）編織和纏繞同軸FSCs的模擬能量分布

圖3 編織同軸FSC的電化學性能

a）在不同掃描速率下，編織2cm同軸FSC的CV曲線。

b）相對于掃描速率的面積比電容。

c）不同電流密度下相對于循環數的面積比電容。

d）不同電流密度下的恒流充放電曲線。

e）FSC的EIS曲線。

f）與以前報道的能量和功率密度的比較。

g）制備的FSC在20 mA cm^?2時的循環性能和相應的庫侖效率。

圖4 FSC的彎曲、打結和扭曲性能

a）同軸FSC在彎曲（標記為∞）和不同曲率直徑D下彎曲的CV曲線。?

b）在彎曲和打結狀態下只有2cm的FSCs為電子鐘供電的數碼照片。

c）12個?LED陣列，由3個SCs串聯點亮。

d）以增加的角度扭曲多達80次循環后的電容保持率。

圖5?同軸FSCs在紡織品中的應用

a）單個FSC和串聯或并聯的兩個FSCs的CV曲線。

b）不同長度的同軸FSCs的電容和能量。

c）一個1.5 m長的同軸FSC；由兩個同軸FSCs組成的紡織手鏈驅動的運動手表的照片；字母“CAS”由44個LED陣列組成，由6個FSCs點亮；由四個FSCs串聯充電的智能手環。

【小結】

綜上所述，通過設計編織同軸結構和利用Ti₃C₂T_x?MXene正極，獲得了高性能的鋅離子FSC，在5 mV s^-1時表現出214 mF cm^-2的高面積比電容和42.8 μWh cm^-2的能量密度。此外，FSC在彎曲、裝配和編織狀態下表現出優異的循環穩定性和良好的電容保持能力。由44個LED陣列組成的字母“CAS”可以由6個FSCs編織成的紡織品來照明。這項工作為可穿戴儲能設備的大規模生產和實際應用的潛力邁出了一步。

文獻鏈接：Continuous Fabrication of Ti₃C₂T_x?MXene-Based Braided Coaxial Zinc-Ion Hybrid Supercapacitors with Improved Performance（Nano-Micro Letters，2021，DOI：10.1007/s40820-021-00757-6）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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