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科學家剝離出超級電容器石墨烯復合膜

作者：中國科學院成都有機化學有限公司來源：http://m.chun-tian.cn 日期：2017-01-06 14:16:47

近年來，柔性、微型能源儲存裝置由于其柔韌和輕便等特點，在可穿戴電子設備、智能皮膚和便攜式智能手機等方面展現出巨大的應用前景。其中，柔性的全固態超級電容器具有結構簡單、制作方便、功率密度高、充放電快速、以及循環壽命長等優點，成為了能源儲存器件的研究重點。

目前，全固態超級電容器主要包含兩種結構：傳統的三明治結構的固態超級電容器和平面結構的微型超級電容器。而高性能的超級電容器的電極材料需要有較好的電化學穩定性、較高的電導率和優異的電容性能。

作為一種新型的過渡金屬碳化物（一個過渡金屬和一個第三或第四族的元素（如Al, Ge, Si等）以及碳或氮元素組成的化合物），MXene（如Ti3C2Tx）因其特有的二維層狀結構、較高的導電性以及化學穩定性和熱穩定性，廣泛地應用在鋰離子電池、超級電容器和電催化反應中。然而研究發現，MXene的尺寸（≈200 nm）相對較小，不利于構建高性能、柔性的大面積薄膜型全固態超級電容器電極。

德累斯頓工業大學馮新亮教授，莊小東博士和中國科學院長春應用化學研究所牛利研究員（共同通訊作者）以此為著眼點，合作制備了基于MXene和電化學剝離的石墨烯納米復合物薄膜電極，并將其應用到傳統的固態超級電容器和平面的微型超級電容器中。

該復合膜具有兩方面的優勢：其一，電化學剝離的高質量的石墨烯層可以作為整個膜電極的機械支架，進一步的增強膜電極整體的柔性、穩定性和長程導電性；其二，MXene納米片穿插在石墨烯片層之間，可以提供大量的層間距，有利于充放電過程中離子的快速嵌入和脫嵌。

得到的膜電極在組裝成傳統對稱柔性超級電容器后，在0.1 A cm^-3的電流密度時，其體積電容高達216 F cm^-3，同時在2500次充、放電循環后，比容量仍能保持85.2%。另外，通過掩膜版噴涂溶液相的MXene/電化學剝離石墨烯墨水制備的叉指狀微型超級電容器，在5 mV s-1的循環伏安掃描速度下，其面積電容和體積電容分別高達3.26 mF cm^-2和33 F cm^-3，這些性能指標高于目前大部分同類文獻所報道的數值。

隨后，對此微超級電容器進行彎折的柔性狀態下進行循環測試，在2500次循環充放電之后，其電容性能依然可以保持82%。值得關注的是，在該工作中，我們利用自制的電化學剝離裝置制備出的電剝離石墨烯具有高產率，高碳氧比和高分散性等特點。

該工作通過電極結構的優化設計，利用簡單的方法制備了高性能的超級電容器電極材料，這為制備低成本、高效率的柔性儲能器件開辟了一條新思路。
來源：MaterialsViews

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