西南交通大学杨维庆纳米能源

近年来，随着物联网技术和无线通信技术的逐渐成熟，各种无线传感器设备，和可穿戴电子设备得到了迅速发展. 同时超级电容器等效电路，对储能装置提出了更高的要求. 超级电容器作为电池与传统电容器之间的新型储能装置，具有循环寿命长，充放电速度快，环保，功率密度高，安全性高的优点. 最有希望将其集成在上述设备和电子设备中. 但是，低电压窗口和低能量密度的问题始终限制了其进一步的应用. 同时，MXene作为一种新型的二维材料，其独特的分层结构使其具有良好的电导率和倍率性能，并已广泛应用于储能研究领域. 但是，基于MXene的芯片微型超级电容器仍在初步研究中. 由于MXene在过高的正电位下极化，因此器件的内部电阻会增加，直到最终失效. 这也是基于MXene的芯片型微型超级电容器受到窄电压窗口限制的原因. 因此超级电容器等效电路，只有增加基于MXene的芯片微型超级电容器的电压窗口，才能更有效地存储能量，并且扩大其应用范围.

【成就介绍】

最近，西南交通大学杨卫清教授的研究小组采用切割喷涂方法，并采用非对称结构设计，成功开发了基于MXene的高压芯片型微型超级电容器. 通过非对称结构设计，可防止Ti3C2TxMXene电极材料在过高的正电位下极化并导致材料损坏. 单个器件在水性电解质中的电压窗口最高为1.6 V，并且显示7.8 mF cm-2和36. F cm-3的高面积和体积比电容在10,000次后仍具有超过91.4％的容量保持率循环，并且在100 mW cm-3的功率密度下仍保持3.5 mWh cm-3的能量密度. 相关成就已在《 NanoEnergy》杂志上发表为“基于高压非对称MXene的片上微型超级电容器”. 硕士谢延廷为第一作者. 青年教师张海涛副教授和杨卫青教授是通讯作者. 这项工作得到了国家自然科学基金，四川省科学技术厅支持计划项目和中央大学基础研究资金等项目的支持.

【图文指南】

图1.高电压芯片型基于MXene的MSC的设计和构建.

（a）芯片型MSC的内部结构和工作原理； （b）在三电极装置中，活性炭（AC）正极和MXene负极材料在10 mVs-1的扫描速率下的CV曲线.

图2. 切割喷涂的制备方法用于在硅晶片上制备基于MXene的高压芯片MSC.

图3.高压芯片型基于MXene的MSC的微观结构和电极材料组成分析.

（a）高压芯片型基于MXene的MSC的物理图； （b）喷涂在硅片上的Ti3C2TxMXene粉和MXene的拉曼光谱； （c）喷涂在硅晶片Atlas上的Ti3C2TxMXene粉和MXene的XRD； （d）芯片型MSC的叉指之间的间隙的SEM图像； （ef）正极和负极的形态和厚度截面的SEM图像.

图4.单个高压芯片型基于MXene的MSC的电化学性能.

（a）5至200 mV s-1扫描速度的CV曲线; （b）在100μAcm-2下对称芯片MSC和非对称芯片MSC的GCD曲线​​比较； （c）奈奎斯特图和等效电路图； （d）不同电流密度下的GCD曲线​​； （e）计算的表面电容值； （f）设备的Ragone图.

图5.布置单个高压芯片型基于MXene的MSC.

（a）在3.5英寸直径的硅晶圆上串联三个MSC，四个并联； （b）20 mV s-1扫描速率下的CV曲线； （c）两个串联和两个平行MSC在20μAcm-2处的GCD曲线​​的两个单峰； （d）串联的两个芯片MSC可以点亮商用LED灯； （e）在CV曲线下在400μAcm-2下的循环稳定性（插图: 不同的循环周）.

【摘要】

研究人员通过切割喷涂方法和非对称结构设计成功开发了基于MXene的高压芯片型微型超级电容器. 非对称结构设计避免了Ti3C2TxMXene在过高的正电势下极化，从而导致材料失效，因此单个器件在水性电解质中的电压窗口高达1.6V. 这项工作为基于MXene的微型超级电容器在芯片型电子设备和电子设备中的集成和应用提供了新的思路和策略.

[论文链接]

基于高压非对称MXene的片上微型超级电容器. 纳米能源（2020）: 104928.

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