导读

随着可穿戴电子产品、新能源汽车的不断发展,市场对于高性能储能系统有了更高的需求。超级电容器(SC)是一种具有高功率密度和长循环使用寿命的新型器件,其高效的充电速度和高容量保持率使其在能量储存领域占有一席之地。然而,SC的能量密度较低,这也是限制其发展的主要制约。为了提升其能量密度,可开发先进的电极材料实现。

导电水凝胶,特别是基于导电2D材料(例如石墨烯和MXene)的水凝胶,可用作具有高能量和功率密度的电极材料。它们不仅具有大表面积和亲水性,而且还保持二维材料的高导电性,即使在厚电极中也能进行电化学反应、快速电解质离子传输和电子转移。

然而,对MXene水凝胶的研究仍处于起步阶段,仍然存在严峻的挑战。首先,以前的研究都集中在Ti3C2Tx,没有对其它MXene水凝胶(除了Ti3C2Tx)的报告。其次,所采用的聚合物交联剂都是绝缘的,这降低了MXene水凝胶的导电性并削弱了其电化学性能。第三,这些MXene水凝胶的几何形状很大程度上取决于模具的形状和尺寸,在很多场景下,特别是在可穿戴电子产品快速发展的背景下,不太可能满足复杂性和精度的要求。

成果掠影

近日,MXene之父,德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授及其合作者在自然通讯(Nature Communications)期刊上发表了基于MXene的电化学储能装置的最新研究”4D printing of MXene hydrogels for high-efficiency pseudocapacitive energy storage”,该工作开发了一种先进的4D打印技术,制备了具有高比电容(232.9 F/g),抗低温(-20℃),高容量保持率(90.6%)和高能量密度(92.88 μWh/cm2)的MXene水凝胶电化学储能器件。

 

核心创新点

1.该工作提出的4D打印技术与传统3D打印产生的可溶解MXene溶胶不同,其在打印过程中引入热刺激自组装工艺,可实现对MXene水凝胶结构形状的精准控制。

2.该工作使用PEDOT:PSS作为交联剂和稳定剂,解决了MXene材料在水溶液中发生团聚的现象,并调节打印油墨的粘度,为4D打印提供可能。

3.该工作在水凝胶中加入乙二醇,通过提升乙二醇与聚乙烯醇分子链之间的氢键数量,极大地提高了水凝胶的抗冻性能,扩展了其工作环境温度。

 

数据概览

图1. MXene水凝胶4D打印示意图 © 2022 The authors

图2. MXene油墨和水凝胶特性© 2022 The authors

a)不同质量分数的MXene水凝胶的示意图。

b)MXene油墨的粘度与剪切速率之间的关系。

c)MXene油墨的储能模量和损耗模量与剪切应力之间的关系

d)MXene油墨的储能模量和损耗模量的比值与频率之间的关系

e)4D打印的不同形态的MXene水凝胶示意图

f)Nb2CTx水凝胶的SEM和EDX图像

g)Ti3C2Tx水凝胶的SEM和EDX图像

h)Mo2Ti2C3Tx水凝胶的SEM和EDX图像

i)三种MXene水凝胶的I-V曲线

j)纯的PEDOT:PSS薄膜和4D打印的MXene水凝胶的拉曼表征结果

k-l)Ti3C2Tx薄膜和水凝胶的XPS表征结果

图3. 4D打印的Ti3C2Tx水凝胶电极的电化学性能测试© 2022 The authors

a)不同扫速的CV曲线。

b)不同载量的CV曲线

c)储能机制探究

d)不同载量的水凝胶在不同扫速下的比电容

e)不同材料容量保持率对比

f)不同扫速不同载量的电极的面电容对比

g)不同材料面电容对比

h)阻抗分析

i)电极的循环性能测试

图4. 4D打印的MXene水凝胶储能器件的性能测试© 2022 The authors

a)不同扫速下的CV曲线

b)不同电流密度的GCD曲线

c)不同电化学储能器件的面电容对比

d)不同电化学储能器件的能量密度与功率密度对比

e)不同温度下的CV曲线

f)不同温度下,水凝胶的容量保持率

g)不同水凝胶电化学储能器件的工作温度与面电容对比

h)-20℃下该器件的容量保持率和阻抗谱

i)串联和并联演示器件点产品应用小灯泡

成果启示

该工作开发了一种高效制造MXene水凝胶的4D打印技术,可在基板上高精度制造一系列具有复杂结构的MXene水凝胶。该MXene水凝胶具有3D多孔结构、大比表面积和高导电性等特点,从而可实现高效的赝电容储能,包括高比电容(232.9 F/g),抗低温(-20℃),高容量保持率(90.6%)和高能量密度(92.88 μWh/cm2)。该工作为MXene水凝胶的制造提供了新的策略,并将推动MXene材料和导电水凝胶在电化学能量存储和转换,传感器和其他技术中的应用。

文献链接

Nature Communications:4D printing of MXene hydrogels for high-efficiency pseudocapacitive energy storage

DOI:10.1038/s41467-022-34583-0

本文由我亦不离去供稿