美国密歇根州立大学曹长勇教授团队ACS Nano:基于MXene复合材料电极的高性能可拉伸超级电容器

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近年来柔性可拉伸电子器件受到人们的普遍关注并得到了迅猛发展。科研人员先后制造出可拉伸显示器、人造电子皮肤、可穿戴传感器和可植入设备等新的先进设备。这类新型可拉伸器件的发展也要求相应的供电装置如电池和超级电容器等具有可拉伸、可变形、甚至能够与各种可拉伸设备和基材无缝结合的能力。与普通电池相比，超级电容器表现出更高的功率密度、循环效率和能量密度，可进行多达上百万次充放电循环。这些特性使可拉伸超级电容器在可穿戴和可植入能量设备领域中具有巨大的应用潜力。

近日，美国密歇根州立大学（MSU）曹长勇教授团队和杜克（Duke）大学Jeffrey Glass教授团队、德雷塞尔（Drexel）大学Yury Gogotsi教授团队合作，探索利用二维碳化钛MXene和还原氧化石墨烯（RGO）来制备柔韧耐用的可拉伸高性能超级电容器和印刷储能设备。该MXene/RGO复合材料电极结合了MXene的优异的电化学性能以及RGO良好的机械性能，可以用来制备超大应变状态下的超级电容。研究结果表明掺入50％ RGO的MXene/RGO复合电极可以极大地减少在超大应变拉伸下产生的裂纹。复合材料电极在经受单轴（300％）或双轴（200％×200％）循环应变时，展示出高达49 mF/cm²（490 F/cm³和140 F/g）的大电容和良好的电化学稳定性和机械稳定性。实验发现，新组装的双层电极超级电容器的比电容达18.6 mF/cm²（90 F/cm³和29 F/g），其可拉伸性可达到300％的大应变。该方法可用于制造其他基于MXene的可拉伸储能设备，并且可以扩展到其他MXene材料族的其他成员。

该成果在线发表在国际著名期刊ACS Nano上。论文第一作者为周逸豪博士，通讯作者为密歇根州立大学曹长勇教授和杜克大学Jeffery Glass教授。德雷塞尔（Drexel）大学Yury Gogotsi教授和杜克大学Stefan Zauscher教授等为论文共同作者。

图1：可拉伸MXene / RGO复合材料电极的制备和表征。（a）可拉伸MXene/RGO复合材料薄膜电极的制造过程示意图。（b）通过施加单轴预应变（300％）制成的MXene/RGO复合薄膜的表面形态的SEM图像。（c）通过施加双轴预应变（200％×200％）制成的MXene/RGO复合薄膜（1 µm）的表面形态的SEM图像。（d）在硅晶片上的RGO和MXene纳米薄片的SEM图像，（e）通过SEM图像分析获得的MXene纳米薄片尺寸分布。（f）MXene纳米薄片的AFM图像。（g）通过AFM测得的MXene纳米薄片的厚度分布。

图2：具有不同百分比的RGO的MXene/RGO复合材料薄膜的机械性能和导电性能表征。（a-c）分别通过施加100％，200％和300％的预应变制成的MXene/RGO薄膜（约1 µm厚）处于松弛状态的SEM图像。（d-f）纯MXene薄膜（约0.6 µm厚）处于松弛状态的SEM图像；释放基底预应力后会产生许多裂纹。（g）MXene/RGO复合材料薄膜的极限应变随RGO百分比的变化。（h）具有不同RGO百分比的MXene/RGO复合材料薄膜的电阻随所施加的拉伸应变变化。（i）具有不同RGO百分比的MXene/RGO复合材料薄膜的归一化电阻在历经1000次循环拉伸应变（250％）时的变化情况。

图3：单向可拉伸的MXene/RGO电极和纯MXene电极的电化学性能。（a）在松弛状态下，以不同扫描速率测得的MXene/RGO电极的循环伏安（CV）曲线。（b）MXene/RGO电极在不同拉伸应变下以20 mV/s的扫描速率测得的CV曲线。（c）在0-300％的应变下，在不同的充放电电流密度下对MXene/RGO电极进行恒流电荷放电（GCD）测量得出的比电容。（d）在松弛状态下以5至50 mV/s的扫描速率测得的MXene可拉伸超级电容器电极的CV曲线。（e）在0至300％的拉伸应变下，以20 mV/s的扫描速率测量的MXene电极的CV曲线。（f）根据MXene电极在不同应变状态和不同充放电电流密度下的GCD测量得出的比电容。

图4：双向可拉伸MXene/RGO复合超级电容器电极的电化学性能。（a）MXene/RGO电极在松弛状态下以不同扫描速率测得的CV曲线。（b）在不同双轴拉伸应变下，以20 mV/s的扫描速率测量的MXene/RGO电极的CV曲线。（c）不同双轴应变下MXene/RGO电极的奈奎斯特图。（d）通过在不同的拉伸应变下以不同的充放电电流密度对MXene/RGO电极进行恒定的充放电测量得出的比电容。

图5：具有可拉伸MXene/RGO复合电极和H₂SO₄/PVA凝胶电解质的可拉伸超级电容器的电化学性能。（a）可拉伸MXene/RGO复合电极超级电容器的示意图。（b）在松弛状态下，以不同扫描速率测得的可拉伸超级电容的CV曲线。（c）在不同拉伸应变下，以20 mV/s的扫描速率测得的可拉伸超级电容的CV曲线。（d）在不同应变状态下的可拉伸超级电容的EIS。（e）经受不同应变并以0.5 A/g测量的可拉伸超级电容的充放电曲线。（f）在不同的应变和不同的充放电电流密度下测得的可拉伸SC的比电容。（g）在机械松弛-拉伸循环中，可拉伸超级电容的恒定电流充放电（0.5 A/g）曲线。（h）在机械松弛-拉伸循环中在0.5 A/g的充放电电流密度下的可拉伸超级电容的比电容。（i）可拉伸超级电容在10,000个充放电循环中的电化学稳定性。

图6：本研究中制备的可拉伸MXene/RGO复合材料电极和超级电容器与其他的基于MXene的电极和超级电容器的性能比较。（a）不同电极的性能比较。（b）不同超级电容器的性能比较。

论文链接:

Yihao Zhou, Kathleen Maleski, Babak Anasori, James O. Thostenson, Yaokun Pang, Yaying Feng, Charles B. Parker, Stefan Zauscher, Yury Gogosti, Jeffrey T. Glass*, Changyong Cao*. Ti3C2Tx MXene-Reduced Graphene Oxide Composite Electrodes for Stretchable Supercapacitors, ACS Nano, online, 2020. 

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b10066

课题组网站：www.caogroup.org

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