銨水系不對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器（ASC）以其低成本、運(yùn)行安全和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，為未來(lái)需要高能量密度、功率密度和循環(huán)壽命的電子系統(tǒng)提供了廣闊的前景。然而，開(kāi)發(fā)具有互補(bǔ)電位窗口和協(xié)調(diào)電荷存儲(chǔ)動(dòng)力學(xué)的匹配良好的陽(yáng)極和陰極仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。在這里，我們構(gòu)建了多孔 MXene 和石墨烯基薄膜，分別以氮和磷末端作為陽(yáng)極和陰極，減輕了納米片的重新堆疊，產(chǎn)生更多的電化學(xué)活性位點(diǎn)并提高了電解質(zhì)的滲透性。基于多孔 MXene 和石墨烯薄膜組裝的水性 ASC 在 425 W kg−1 下可實(shí)現(xiàn) 26.8 Wh kg−1 的優(yōu)異能量密度、高倍率性能和顯著的循環(huán)穩(wěn)定性，20,000 次循環(huán)后保留率為 97.3%。這項(xiàng)工作展示了一種通過(guò)具有匹配的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的二維多孔電極的表面工程來(lái)開(kāi)發(fā)高性能水性ASC的新概念。
圖1. (a) N/P-PMF、(b) N/P-rGO和(c)非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器的制備過(guò)程示意圖。
圖 2. (a) 少層 Ti3C2TX 納米片和 (b) 少層 BP 納米片的 AFM 圖像和 SEM 圖像。 (c) 幾層 Ti3C2TX 納米片和幾層 BP 納米片沿交叉線(xiàn)的 AFM 高度剖面。 (d, e) 不同放大倍數(shù)下 N/P-PMF 的橫截面 SEM 圖像。 (f) N/P-PMF、N-PMF 和 Ti3C2TX 薄膜的 N2 吸附-解吸等溫線(xiàn)。 (g-h) N/P-PMF、N-PMF、Ti3C2TX、BP 薄膜和 Ti3AlC2 的 XRD 圖案。
圖 3. (a) N/P-PMF、N-PMF 和 Ti3C2TX 薄膜的 XPS 譜。 (b) N/P-PMF、N-PMF 和 Ti3C2TX 薄膜的高分辨率 C1s 光譜。 (c) N-PMF 和 (d) N/P-PMF 的高分辨率 N1s 光譜。 (e) N/P-PMF 的高分辨率 P2p 光譜。 (f) N/P-PMF、N-PMF 和 Ti3C2TX 薄膜的高分辨率 O1s 光譜。
圖4.雜化薄膜的電化學(xué)性能。 (a) N/P-PMF、N-PMF、BP 和 Ti3C2TX 薄膜在 100 mV s−1 下的 CV 曲線(xiàn)比較。 (b) N/P-PMF、N-PMF 和 Ti3C2TX 薄膜的重量電容對(duì)掃描速率的依賴(lài)性。 (c) N/P-PMF、N-PMF 和 Ti3C2TX 薄膜的伯德圖。 (d) N/P-PMF 電流對(duì)掃描速率的冪律依賴(lài)性。 (e) N/P-PMF 在 10 mV s−1 時(shí)的電容貢獻(xiàn)。 (f) 不同掃描速率下電容和擴(kuò)散控制對(duì) N/P-PMF 總電容的貢獻(xiàn)。 (g) N/P-rGO雜化薄膜在不同掃描速率下的CV曲線(xiàn)。 (h) N/P-rGO 的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)部和虛部電容。 (i) N/P-rGO雜化薄膜在不同電流密度下的GCD曲線(xiàn)。
圖 5. N/P-PMF // N/P-rGO ASC 器件的電化學(xué)性能。 (a) 20 mV s−1 下不同電壓范圍內(nèi) ASC 的 CV 曲線(xiàn)。 (b) ASC 充電/放電期間兩個(gè)電極在 20 mV s−1 下的 CV 曲線(xiàn)和 (c) 1 A g−1 下的 GCD 曲線(xiàn)。 (d) 不同掃描速率下兩個(gè)電極的電勢(shì)窗口。 (e) 單個(gè) ASC 器件和兩個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)配置的 ASC 器件在 20 mV s−1 下的 CV 曲線(xiàn)。 (f) ASC 在 5 A g−1 下循環(huán) 20,000 次后的電容保持率。 (g) Ragone 圖比較了本工作中制備的 ASC 與之前報(bào)道的 ASC 的性能。
相關(guān)科研成果由廣西大學(xué)Ya Yang等人于2024年發(fā)表在Energy Storage Materials（https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103379）上。原文：Highly matched porous MXene anodes and graphene cathodes for high-performance aqueous asymmetric supercapacitors
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103379
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
