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南京大学开发用于超拉伸和高面积电容超级电容器的皱褶 MXene 电极

尽管具有优异的电学和电化学性能,但二维过渡金属碳化物 (MXene) 通常受到高刚度的限制,无法直接用于下一代可拉伸和可穿戴储能设备。使用可显着降低比电容的添加剂在超薄复合电极中实现了改进的变形能力。在这里,我们展示了一种基于具有皱褶纹理的 MXene 电极的超拉伸和高性能超级电容器。高达 800% 的区域应变的超高拉伸性,并且在 1000 次拉伸-松弛循环后初始电容保持率 >90%。这些发展为设计基于各种二维纳米材料及其复合材料的可拉伸电极提供了一条有吸引力的途径。

为了形成他们的手风琴式超级电容器,科学家们将电极材料应用到一块预拉伸的丙烯酸弹性体上。

柔性电子设备可以在弯曲显示器、可穿戴设备或太阳能领域开辟一些有趣的可能性,但开发柔性储能设备为它们供电完全是另一个挑战。中国科学家已经展示了解决这一问题的创造性解决方案,设计了一种新型超级电容器,由于手风琴式皱纹,该电容器在拉伸和扭曲时仍能保持高容量。

虽然今天的锂电池具有高能量密度,因此可以长时间储存能量,但它们的功率密度较低,这意味着它们只能提供小电流,并且需要很长时间才能充电。超级电容器是其阳的阴,从某种意义上说,它们可以非常快地充电并在放电时提供巨大的功率密度,但不能容纳几乎那么多的能量。

这使得超级电容器成为某些储能应用的一个有吸引力的提议,而科学家们正在为可拉伸电子设备供电。迄今为止取得的一些进展集中在使用称为 MXenes 的二维高导电材料家族。这些是过渡金属碳化物、碳氮化物或氮化物,研究人员在使用它们的薄片来形成具有大表面积的多层超级电容器电极方面取得了一些成功,因此具有高储能潜力。

但是基于 MXene 的电极在弯曲时容易断裂,因为它们在柔性或可拉伸的电子设备中,因此科学家们不得不集成聚合物或其他材料,使其更加柔韧。然而,这些添加的一个缺点是它最终会降低材料的存储容量。

通过从手风琴中汲取灵感,南京大学工程与应用科学学院孔德胜团队可能已经想出了解决这个问题的方法。在孔德胜教授的带领下,该团队首先制造了一种由纯碳化钛纳米片制成的纹理薄膜,然后将其层叠在一块已预先拉伸至其松弛尺寸 800% 的丙烯酸弹性体上。该研究发表在Nano Letters 杂志上。

释放弹性体导致它收缩回原来的尺寸,纳米片被带走并在这个过程中揉成手风琴式的皱纹。这种有弹性的 MXene 用作团队超级电容器的电极,其中有一对三微米厚的材料层,中间夹着由聚乙烯(醇)-硫酸凝胶制成的电解质。

该团队随后的实验表明,受手风琴启发的超级电容器可以反复拉伸和放松,而不会造成损坏,也不会影响其存储电荷的能力。其容量与使用 MXenes 构建的其他超级电容器相当,但关键区别在于它可以拉伸至 800% 而不会破裂。将材料拉伸 1,000 次以上,其储能容量仅下降到 90%。

这种高容量和极端的可拉伸性有朝一日可以让该团队的超级电容器用于可穿戴电子产品或其他储能设备需要变形的应用。

来源:3xmaker合越智能

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