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近日，大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組(508組)吳忠?guī)浹芯繂T團隊與中科院沈陽金屬研究所、清華-伯克利深圳學(xué)院成會明院士合作，開發(fā)出一種安全、綠色、低成本的“氯化鋰包水”高濃水系電解液，并以此構(gòu)建出寬溫區(qū)1.6V高電壓水系MXene微型超級電容器。
MXene作為一種新型二維材料，具有高的電導(dǎo)率和超高的體積電容，是微型超級電容器的關(guān)鍵材料之一。但是MXene在水系電解液中極易在高陽極電位下氧化，且受到水的電化學(xué)穩(wěn)定窗口的限制，導(dǎo)致工作電壓通常小于0.6V，極大地限制了MXene微型超級電容器的能量密度。此外，水系電解液在零度以下很容易結(jié)冰，導(dǎo)致離子導(dǎo)電性急劇下降。在高溫下電解液的結(jié)構(gòu)非常不穩(wěn)定，很難保留內(nèi)部的水分子。因此研制耐高壓、寬溫區(qū)的水系電解液仍存在挑戰(zhàn)。
基于以上問題，該合作團隊研制了一種低成本、環(huán)境友好的“氯化鋰包水”高濃水系電解液，通過調(diào)節(jié)MXene微電極與電解質(zhì)之間的反應(yīng)動力學(xué)，不僅有效抑制了MXene在高電位下的氧化，從而拓寬MXene微型超級電容器的工作電壓，而且能在較寬的溫度范圍內(nèi)運行。研究發(fā)現(xiàn)，基于高濃氯化鋰凝膠電解液的對稱平面MXene微型超級電容器的工作電壓高達1.6V，體積能量密度可達到31.7 mWh/cm3。由于高濃氯化鋰凝膠電解液超高的離子電導(dǎo)率(69.5mS/cm)和超低的熔點(-57°C)，MXene微型超級電容器可以在-40°C到60°C的寬溫度范圍內(nèi)正常工作，說明了其在極端環(huán)境中的實用性。該工作為構(gòu)建水系高電壓寬溫區(qū)微型超級電容器提供新的研究思路。
在構(gòu)建MXene基超級電容器和電池方面，吳忠?guī)泩F隊前期開發(fā)出多功能水系MXene墨水用于高電容電極、電池和傳感材料(Adv. Mater.，2021)、以及微型超級電容器(Adv. Energy Mater.，2021)；發(fā)展了離子液體預(yù)插層MXene微電極策略構(gòu)建出高比能微型超級電容器(J. Mater. Chem. A，2019)；開發(fā)出三維MXene基無枝晶的鋰金屬負極(ACS Nano，2019)；提出了一步堿化MXene策略制備出MXene納米帶(Nano Energy，2017)，同時結(jié)合氧化處理獲得了MXene衍化超薄鈦酸鈉或鈦酸鉀納米帶，具有優(yōu)異儲鈉/鉀性能(ACS Nano，2017)。
相關(guān)研究成果以“Kinetic regulation of MXene with water-in-LiCl electrolyte for high-voltage micro-supercapacitors”為題，于近日發(fā)表在《國家科學(xué)評論》(National Science Review)上。該工作的第一作者是大連化學(xué)物理所508組博士后朱元元和鄭雙好副研究員。上述工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、遼寧省中央引導(dǎo)地方專項等項目的資助。(文/圖 朱元元、鄭雙好)
原標題:大連化物所研制出寬溫區(qū)1.6V高電壓MXene微型超級電容器
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