构建基于MXene电极的超长循环水系钾离子电容器

2022年3月21日，Nano Research Energy (https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)创刊主编，香港城市大学支春义教授发表题为“Building durable aqueous K-ion capacitors based on MXene family”的最新研究成果。

超级电容器被广泛应用于各种场景的供能电源，比如可作为可穿戴电子供能器件和大规模储能等各个领域。相对于广泛应用的锂离子电容器，钾元素在地球上有着丰富的存储量，有望构筑低成本电容器。然而，水系钾离子电容器的低能量密度是其进一步实际应用的瓶颈。相对于常见的基于吸附-解吸附的双电层电容器，赝电容主导的电容器表现出大幅度提高的能量密度。然而，基于赝电容主导的嵌入脱出型或表面氧化还原型电极材料会在长循环过程中发生结构稳定性衰退，导致不尽人意的循环稳定性。因此，发展用以存储钾离子以赝电容主导的高比能电极材料，并兼顾其循环稳定性是实现高能量密度与长循环钾离子电容器的关键问题。

针对以上问题，支春义教授团队采用了不同的 MXene (Nb₂C, Ti₂C and Ti₃C₂ ) 材料作为储钾电极材料，并横向比较了三者的储钾性能。基于MXene材料自身良好的导电性，以及表面丰富的氧化还表面基团作为赝电容的相互作用位点，同时极大的层间距用以嵌入脱出型存储钾离子，MXene均实现了优异的储钾性能。其中，以Nb₂C MXene的K离子电容器性能最为突出，其最高功率密度为2336 W/kg，能量密度为24.6 Wh/kg，表现出优异的储钾能量密度。当与有机负极物苝四甲酰二亚胺（PTCDI）配对构建钾离子电容器时，Nb₂C║PTCDI的电容器在5 A/g的电流密度下30,000次循环后，电容器的容量保持为初始容量的 94.6 %，展示出超稳定的循环稳定性(图1)。MXene作为超稳定的储钾电极材料，为发展后续其它水系钾离子电极材料提供了借鉴。

图1：基于 MXene 家族电极材料的超快、超稳定水系钾离子电容器. (a) 三种不同 MXene电极材料的储钾过程示意图；(b)水系钾离子电容器器件示意图；(c) Nb₂C的钾离子电容器在大电流下的超快存储与超稳定循环稳定性。

相关论文信息：https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120002

作为Nano Research姊妹刊，Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN: 2790-8119; 官网: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月创刊，由清华大学曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。是一本国际化的同行评审、多学科交叉、全英文开放获取期刊，聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用，对标国际顶级能源期刊，致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文。