兼具柔性与电容优化平衡的全温全固态Ti3C2Tx/ANF纤维超级电容器

文章信息

兼具柔性与电容优化平衡的全温全固态Ti3C2Tx/ANF纤维超级电容器

第一作者：刘奇

通讯作者：刘宗怀*，何学侠*

单位：陕西师范大学

研究背景

Ti3C2Tx（MXene）具有二维层状结构、类金属高导电率（15000 S cm-1）与高体积比电容（1500 F cm-3），是制备柔性纤维电极的理想候选材料。但是，由于采用化学刻蚀、剥离制备的Ti3C2Tx纳米片横向尺寸小及层间作用力弱，使得通过湿法纺丝制备兼具柔性和优越电容性能Ti3C2Tx纤维存在一定的挑战。

另外，由Ti3C2Tx纤维电极组装的纤维超级电容器在严寒或炎热条件下电容会严重下降，严重影响其在极端天气中的应用。因此，迫切需要开发一种全温Ti3C2Tx基纤维超级电容器以适应不同温度应用需求，但关于全温全固态Ti3C2Tx基纤维超级电容器鲜有报道。

文章简介

基于此，陕西师范大学大学刘宗怀教授与何学侠副教授课题组在国际知名期刊Adv. Funct. Mater.上发表题为“Full-Temperature All-Solid-State Ti3C2Tx/Aramid FiberSupercapacitor with Optimal Balance of CapacitivePerformance and Flexibility”的研究文章。

该文章以质子供体辅助对位芳纶纤维（PPTA）去质子化获得的一维芳纶纳米纤维（ANF）作为柔性功能添加剂，二维Ti3C2Tx纳米片作为组装单元，通过湿法纺丝，在0.5 M FeCl2凝固浴中成功制备了兼具柔性与高电容性能Ti3C2Tx/ANF（T/A）复合纤维电极。

图1. Ti3C2Tx/ANF柔性纤维制备过程示意图。

同时，将剥离后的蒙脱土纳米片（F-MMT）及二甲基亚砜（DMSO）引入到传统的聚乙烯醇-硫酸（PVA-H2SO4）水凝胶电解质中，成功制备了具有低温抗冻、高温耐热、质轻、柔性和高离子导电性F-MMT/PVA有机水凝胶电解质。

以Ti3C2Tx/ANF纤维作为正负极、F-MMT/PVA有机水凝胶电解质作为电解质和隔膜，分步浸泡法成功组装了全温全固态柔性F-MMT/PVA T/A纤维超级电容器，该器件展示了优异的高低温电容性能与柔性。

图2. 全温全固态柔性F-MMT/PVA T/A-5基纤维超级电容器组装示意图。

本文要点

要点一：兼具高机械强度和优越电容性能Ti3C2Tx/ANF纤维电极的制备
湿法纺丝过程中通过改变ANF的加入量，系统研究了ANF含量对复合纤维形貌、结构、导电性、电化学性质和机械性能的影响，对Ti3C2Tx基纤维形成机理进行了分析和讨论。

研究结果表明，当ANF的添加量为5%时，制备的T/A-5复合纤维电极兼具优异的电化学性质和高的机械强度。在3 M H2SO4电解液中，该纤维电极的体积比电容可达807 F cm-3，同时具备104 MPa的大抗拉应力，实现了Ti3C2Tx基纤维电极的电容性能和柔性优化平衡。

图3. 不同ANF负载量T/A复合纤维电化学和力学性能表征：（a）扫速为100 mV s-1时CV曲线，（b）电流密度为3 A cm-3下GCD曲线，（c）不同电流密度下比电容，（d）能奎斯特曲线，（e）应力-应变曲线，（f）T/A-5纤维CV曲线，（g）GCD曲线，（h）柔性与力学强度测试的光学照片和（i）与报道的Ti3C2Tx基复合纤维最大拉伸应力和电导率比较。
要点二：全温有机水凝胶电解质的开发制备

对传统的PVA-H2SO4水凝胶电解质进行了热稳定组分（F-MMT）引入和抗冻水系电解质改性。F-MMT能提高凝胶电解质的热稳定性且能形成离子传输通道，从而有利于离子的传输。

同时，DMSO能显著减弱水分子间氢键，极大地降低电解质溶剂体系的凝固点。制备的F-MMT/PVA有机水凝胶电解质在-40~80 °C具有高的离子电导率（0.33~3.42 mS cm-1）和优异的机械强度。
要点三：全温全固态Ti3C2Tx/ANF柔性纤维超级电容器性能

图4.（a）温度与F-MMT/PVA有机水凝胶电解质离子导电率的关系；F-MMT/PVA T/A-5基纤维超级电容器在不同温度下的电化学性能：（b）50 mV s-1扫速下的CV曲线，（c）1 A cm-3下的GCD曲线，（d）比电容与温度的变化关系和（e）能量密度（Ev）与功率密度（Pv）随温度变化的关系；（f）在室温下与文献报道Ti3C2Tx基纤维超级电容器的Ragone比较图；F-MMT/PVA T/A-5基纤维超级电容器的柔性测试：（g）不同弯折角度的光学照片，（h）不同弯折角度的CV曲线（50 mV s-1）和（i）弯折100次后电容保持率（插图为未弯折和弯折100次后的CV曲线）。

Ti3C2Tx/ANF-5纤维作为正负极、F-MMT/PVA有机水凝胶电解质作为电解质和隔膜，采用分步浸泡法，成功组装了全温全固态柔性F-MMT/PVA T/A-5基纤维超级电容器。组装的纤维超级电容器在0.25 A·cm-3电流密度下比电容高达295 F·cm-3，最大体积能量密度为26.2 mWh cm-3。在5 A·cm-3的电流密度下经过10000次充电/放电循环后电容保持率为91%。

同时，该纤维超级电容器在-40~80 °C的宽温范围内展现出良好的柔性和优异的电容性能，且该器件电化学性能在不同程度的弯曲和不同次数的弯曲均能得以保持。该研究为设计和组装具有电容性能和柔性最佳平衡的全温度全固态对称柔性纤维超级电容器提供了有效策略。

通讯作者介绍

刘宗怀 教授

陕西师范大学博士生导师、日本德岛大学博士（2001年），日本产业技术综合研究所及日本学术振兴会博士后。长期从事储能材料的研究及其器件化工作，利用无机层状化合物剥离得到的纳米层及其孔洞化纳米层、组装了系列超级电容器用电极材料及其组装了相应的储能器件。以第一作者/通讯作者在国际主流学术刊物Angew. Chem. Int. Ed.，Small ，Chem. Maters.，Chem. Commu.，J. Mater. Chem. A等上发表研究论文110 余篇，他引3500 余次，出版《二维无机材料剥离、纳米层组装及其功能化》著作一部。
何学侠 副教授

陕西师范大学 硕士生导师、日本冈山大学博士（2013年）、新加坡南洋理工大学博士后，2016年入职陕西师范大学。主要研究方向为二维层状材料的可控制备与光、电器件组装。以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Funct. Mater.，Small,，J. Mater. Chem. A等刊物上发表文章30余篇，1 篇论文入选ESI高被引论文。

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