構建基于MXene電極的超長循環水系鉀離子電容器

  2022年3月21日，Nano Research Energy 創刊主編，香港城市大學支春義教授發表題為“Building durable aqueous K-ion capacitors based on MXene family”的最新研究成果。

超級電容器被廣泛應用于各種場景的供能電源，比如可穿戴電子供能器件和大規模儲能等各個領域。相對于廣泛應用的鋰離子電容器，鉀元素在地球上有著豐富的存儲量，有望構筑低成本電容器。然而，水系鉀離子電容器的低能量密度是其進一步實際應用的瓶頸。相對于常見的基于吸附-解吸附的雙電層電容器，贗電容主導的電容器表現出大幅度提高的能量密度。但是，基于贗電容主導的嵌入脫出型或表面氧化還原型電極材料會在長循環過程中發生結構穩定性衰退，導致不盡人意的循環穩定性。因此，發展用以存儲鉀離子以贗電容主導的高比能電極材料，并兼顧其循環穩定性是實現高能量密度與長循環鉀離子電容器的關鍵問題。

針對以上問題，支春義教授團隊采用了不同的 MXene (Nb2C, Ti2C and Ti3C2 ) 材料作為儲鉀電極材料，并橫向比較了三者的儲鉀性能。基于MXene材料自身良好的導電性，以及表面豐富的氧化還表面基團作為贗電容的相互作用位點，同時極大的層間距用以嵌入脫出型存儲鉀離子，MXene均實現了優異的儲鉀性能。其中，以Nb2C MXene的K離子電容器性能最為突出，其最高功率密度為2336 W/kg，能量密度為24.6 Wh/kg，表現出優異的儲鉀能量密度。當與有機負極物苝四甲酰二亞胺（PTCDI）配對構建鉀離子電容器時，Nb2C║PTCDI的電容器在5 A/g的電流密度下30,000次循環后，電容器的容量保持為初始容量的94.6 %，展示出超穩定的循環穩定性(圖1)。MXene作為超穩定的儲鉀電極材料，為發展后續其它水系鉀離子電極材料提供了良好的借鑒。

圖1：基于 MXene 家族電極材料的超快、超穩定水系鉀離子電容器. (a) 三種不同 MXene電極材料的儲鉀過程示意圖；(b)水系鉀離子電容器器件示意圖；(c) Nb2C的鉀離子電容器在大電流下的超快存儲與超穩定循環穩定性。

作為Nano Research姊妹刊，Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119；創刊于2022年3月，由清華大學主辦，清華大學曲良體教授和香港城市大學支春義教授共同擔任主編。Nano Research Energy是一本國際化的多學科交叉，全英文開放獲取期刊，聚焦納米材料和納米科學技術在新型能源相關領域的前沿研究與應用，對標國際頂級能源期刊，致力于發表高水平的原創性研究和綜述類論文。

(原標題：構建基于MXene電極的超長循環水系鉀離子電容器)