銨水系不對稱超級電容器（ASC）以其低成本、運行安全和環境友好等優點，為未來需要高能量密度、功率密度和循環壽命的電子系統提供了廣闊的前景。然而，開發具有互補電位窗口和協調電荷存儲動力學的匹配良好的陽極和陰極仍然是一個重大挑戰。在這里，我們構建了多孔 MXene 和石墨烯基薄膜，分別以氮和磷末端作為陽極和陰極，減輕了納米片的重新堆疊，產生更多的電化學活性位點并提高了電解質的滲透性。基于多孔 MXene 和石墨烯薄膜組裝的水性 ASC 在 425 W kg−1 下可實現 26.8 Wh kg−1 的優異能量密度、高倍率性能和顯著的循環穩定性，20,000 次循環后保留率為 97.3%。這項工作展示了一種通過具有匹配的結構和電化學性能的二維多孔電極的表面工程來開發高性能水性ASC的新概念。
圖1. (a) N/P-PMF、(b) N/P-rGO和(c)非對稱超級電容器的制備過程示意圖。
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 納米片沿交叉線的 AFM 高度剖面。 (d, e) 不同放大倍數下 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。 (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.雜化薄膜的電化學性能。 (a) N/P-PMF、N-PMF、BP 和 Ti3C2TX 薄膜在 100 mV s−1 下的 CV 曲線比較。 (b) N/P-PMF、N-PMF 和 Ti3C2TX 薄膜的重量電容對掃描速率的依賴性。 (c) N/P-PMF、N-PMF 和 Ti3C2TX 薄膜的伯德圖。 (d) N/P-PMF 電流對掃描速率的冪律依賴性。 (e) N/P-PMF 在 10 mV s−1 時的電容貢獻。 (f) 不同掃描速率下電容和擴散控制對 N/P-PMF 總電容的貢獻。 (g) N/P-rGO雜化薄膜在不同掃描速率下的CV曲線。 (h) N/P-rGO 的標準化實部和虛部電容。 (i) N/P-rGO雜化薄膜在不同電流密度下的GCD曲線。
圖 5. N/P-PMF // N/P-rGO ASC 器件的電化學性能。 (a) 20 mV s−1 下不同電壓范圍內 ASC 的 CV 曲線。 (b) ASC 充電/放電期間兩個電極在 20 mV s−1 下的 CV 曲線和 (c) 1 A g−1 下的 GCD 曲線。 (d) 不同掃描速率下兩個電極的電勢窗口。 (e) 單個 ASC 器件和兩個串聯或并聯配置的 ASC 器件在 20 mV s−1 下的 CV 曲線。 (f) ASC 在 5 A g−1 下循環 20,000 次后的電容保持率。 (g) Ragone 圖比較了本工作中制備的 ASC 與之前報道的 ASC 的性能。
相關科研成果由廣西大學Ya Yang等人于2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
