南京林业大学付宇教授CEJ：实现仿生界面工程构建柔性固态光热超级电容器

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柔性电子和人工智能的发展极大的推动了能源储能器件的爆炸式增长，其中，柔性固态超级电容器由于其快速的充-放电时间，高的功率密度和长的循环寿命而成为热门研究课题。因此，发展具有优异机械性能和电化学性能的功能型电极是有待解决的问题。MXene由于其高导电性，表面化学性能可调性和优异的体积比电容，在超级电容器，锂离子电池，电化学催化等领域表现出巨大的应用。但是，将MXene二维纳米片组装成结构性型电极时，其易于堆叠和片层之间缺乏较好的作用力仍然限制了其进一步的应用。因此，如何开发出高电化学性能兼顾优异力学性能的MXene结构电极仍然是个挑战。

除此之外，超级电容器在工作中会受到环境的制约，比如在低温等严苛环境之中，限制了离子的传输，导致电化学性能的下降。如何在不牺牲电化学性能的前提下提高其工作窗口，拓展其在不同环境中的应用具有巨大的实际意义。

近日，来自南京林业大学付宇教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Bioinspired MXene nacre with mechanical robustness for highly flexible all solid-state photothermo-supercapacitor”文章。该文章提出一种仿生界面策略构建具有优异电化学性能，机械柔韧性和光热性能的功能型MXene结构电极。通过MXene表面轻度原位生长SnS₂纳米结构，并与纳米纤维素纤丝进行自组装，形成具有层层结构的MXene高强度优异柔性的自支撑电极。原位SnS₂起到了界面增强和光热能力双重功能角色，实现了MXene电极力学性能和光热转化能力的进一步提升。进一步将MXene结构电极组装成柔性全固态超级电容器，表现出优异的功率密度和循环稳定性。受益于材料优异的光热转换性能，系统研究了电容器在不同光照条件下的电化学储能行为，拓宽了超级电容器的使用范围。

图1. 仿生界面策略构建MXene基光热超级电容器

【本文要点】

要点一：仿生界面策略实现机械性能增强

采用仿生界面策略，构建类似于贝壳多层级砖瓦结构实现了MXene材料的力学性能的提升。通过原位引入SnS₂和采用纤维素纳米纤丝作为物理交联剂组装多尺度功能薄膜，保持断裂伸长率的同时，拉伸强度相比纯MXene提升了5倍。同时保持了较好的导电性，实现了高导电性和高力学性能集成。研究表明，MXene表面SnS₂可作为抗滑移剂从而提升MXene片层之间的物理作用力，同时CNF的分子链段之间的网络纠缠效应进一步提升材料的强度和韧性。因此，该功能薄膜可作为柔性高强度的自支撑超级电容器电极。

图2. MXene复合薄膜的力学评估

要点二：实现柔性高功率密度和循环性能超级电容器

由于所得的MXene基结构电极具备优异的电化学性能和机械强度，可以将其用于构建柔性结构超级电容器。对称的MXene基超级电容器表现出较好的柔性，能够在弯折500后保持较好的电容保持率。并且充放电循环4000次仍然可以维持其初始电容值的91.5％，显示出出色的循环稳定性。此外，MXene基对称超级电容器在也展现出较好的能量密度和功率密度。

图3 MXene基柔性对称超级电容器的电化学性能

要点三：光热效应电化学性能的提升

由于离子迁移速度下降，超级电容器在低温环境工作中通常会表现出电化学性能的下降。因此，为了提高超级电容器在低温中使用性能，模拟了超级电容器在不同太阳光照强度下的电化学性能的变化。由于MXene和SnS₂之间协同作用，光热转换性能明显提升，可以将周围的太阳光转换成热量从而降低材料的电阻，同时提升离子穿梭速率，实现电化学性能的提升。测试超级电容器在0.5, 1, 和1.5 kW/m²光照强度下的循环伏安，充放电和交流阻抗性能，可以发现随着光照强度的提升，超级电容器的电容实现了梯度增长过程，电极和电解质的界面也得到了提升。同时测试了不同光照强度下的充放电循环，在10次循环后也表现出较好的循环稳定性。经过计算，在1个太阳光照强度下，超级电容器的能量密度提升了60%。该工作为模拟光热条件下超级电容器工作提供了概念性验证。

图4 光热条件下MXene基柔性超级电容器的电化学性能研究

文章第一作者为蔡晨阳，通讯作者为付宇教授，通讯单位为南京林业大学。

文章链接：

Bioinspired MXene nacre with mechanical robustness for highly flexible allsolid-state photothermo-supercapacitor

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129275

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