鉅大LARGE | 點擊量：1156次 | 2022年03月04日
如何通過靜電自組裝法制備鋰離子電池的石墨烯復(fù)合電極材料？
MXenes一種新型二維過渡金屬碳化物或碳氮化物材料，其化學(xué)通式可用Mn+1XnTx表示，其中M指過渡族金屬，X指C或N，n一般為1-3，Tx指表面基團(tuán)。它因具有高比表面積、高電導(dǎo)率和良好的親水性能的特點，被廣泛應(yīng)用在鋰離子電池、鈉離子電池以及超級電容器等儲能領(lǐng)域中。與石墨烯類似，MXene納米片間的聚集和堆疊是不可避免的，這嚴(yán)重影響了其電化學(xué)性能。
圖1MXene/rGO復(fù)合材料合成過程圖。
近期，德雷塞爾大學(xué)YuryGogotsi教授等人以帶正電荷的還原氧化石墨烯(rGO)和帶負(fù)電荷的碳化鈦MXene納米片為原材料，通過靜電自組裝法合成出MXene/rGO復(fù)合材料，作為超級電容器電極材料，表現(xiàn)出優(yōu)越的電化學(xué)性能。此成果發(fā)表在國際期刊Adv.Funct.Mater.上。
圖2(a)在3MH2SO4電解質(zhì)中，掃速為20mV/s時，MXene和MXene/rGO的CV圖；(b)M/G-5%電極在不同掃速下的CV圖；(c)M/G-5%電極的峰值電流與掃描速率(2-50mV/s)之間的關(guān)系圖；(d)M/G-5%電極在不同電流密度下的充放電曲線圖；(e-f)MXene和MXene/rGO電極在不同掃速下的質(zhì)量比電容和體積比電容圖。
圖3MXene和M/G-5%電極在對稱超級電容器中不同掃速下的(a)CV圖；(b)質(zhì)量比電容圖；MXene和M/G-5%電極在對稱超級電容器中(c)質(zhì)量；(d)體積能量和功率密度圖。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
M/G-5%(5%為rGO的質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料表現(xiàn)出超高的電導(dǎo)率(2261S/cm)和密度(3.1g/cm^3)以及優(yōu)越的電化學(xué)性能。以3MH2SO4電解質(zhì)為電解質(zhì)，運(yùn)用三電極體系檢測MXene/rGO電極的電化學(xué)性能。
在掃速2mV/s，M/G-5%電極體積比電容高達(dá)1040F/cm^3；在掃速100mV/s和1V/s下，體積比電容為777和634F/cm^3，體現(xiàn)了良好的倍率性能。為了檢測M/G-5%電極在實際應(yīng)用中的性能，將其應(yīng)用在對稱超級電容器中，表現(xiàn)出超高的體積比能量密度32.6Wh/L。
作者在文中解釋了MXene/rGO電極具有如此良好電化學(xué)性能的原因：
(1)在MXene層之間插入rGO納米片不僅可以有效地抑制MXene層間的堆疊，而且可以增大MXene的層間距形成良好對齊的交替排列結(jié)構(gòu)。這有利于電解質(zhì)離子的快速擴(kuò)散和運(yùn)輸，提高M(jìn)Xene的電化學(xué)利用率和倍率性能；
(2)良好的電導(dǎo)率有利于充放電過程中離子快速轉(zhuǎn)移，減小內(nèi)部阻抗；
(3)高的電極密度有利于提高體積比電容。
