【研究背景】

为便携式电子产品和电动汽车提供动力的快速而大量的电能存储是能源存储领域的一个不断发展的挑战。尽管先进电池技术取得了长足的进步，但其有限的功率密度和使用寿命仍不足以满足日益增长的对下一代储能设备的需求。而赝电容是一种不受固体扩散限制，通过表面氧化还原反应或赝电容插层来存储能量的超级电容器，由于其更快的储能速度和合理的能量密度，受到了越来越多的关注。大多数金属氧化物(RuO2除外)的电子导电性有限，电极电阻高，从而导致功率密度低，而电活性聚合物由于在掺杂-去掺杂过程中会发生不可逆的结构退化，因此通常使用寿命短。将碳纳米材料（例如碳量子点，碳纳米管（CNT）和石墨烯）引入赝电容材料可以通过改善电导率，促进电荷转移和减轻机械应力来增强其电化学性能。然而，同时实现高比电容、高倍率性能和长周期稳定性仍然是一个挑战。

【成果简介】

最近，复旦大学Y. Xu教授课题组在国际知名学术期刊Small上发表一篇题目为：An Ultrafast Conducting Polymer@MXene Positive Electrode with High Volumetric Capacitance for Advanced Asymmetric Supercapacitors 的研究论文，该研究报道了一种通过在三维多孔Ti3C2TxMXene上浇铸均匀聚苯胺层来制备超快聚苯胺@MXene正极，根据第一原理计算，由于聚苯胺复合后的功函数增大，使MXene在正电压下稳定工作。所得到的柔性聚苯胺@MXene正极显示出1632 F cm- 3的高容量，以及在5000 mV s - 1时827 F cm- 3的超高倍率性能，超过了所有报道的正极。以MXene为负极，聚苯胺@MXene为正极进一步制备非对称器件，其能量密度为50.6 Wh L−1，超高功率密度为127 kW L−1。

【图文导读】

图1.压缩PANI@M-Ti3C2Tx电极的制备示意图和相应的形态结构；g）Ti3C2Tx@ PS膜，h）3D M-Ti3C2Tx膜和i）3D PANI@M-Ti3C2Tx膜的截面SEM图 j）3D PANI@M-Ti3C2Tx膜的能量色散X射线光谱图 k）3D PANI @M-Ti3C2Tx膜的TEM图像 l）压缩的PANI@M-Ti3C2Tx膜的截面SEM图像。

图2. 压缩的PANI@M-Ti3C2Tx电极的电化学性能a）40％PANI的PANI@M-Ti3C2Tx膜的循环伏安曲线 b）用体积电容表示具有不同质量负载的PANI@M-Ti3C2Tx薄膜的倍率性能c）PANI@M-Ti3C2Tx的恒电流充放电曲线d）具有不同质量负载的PANI@M-Ti3C2Tx薄膜的b值 e）10 mV s-1下的PANI@M-Ti3C2Tx膜的循环伏安曲线，其阴影部分对应于表面电容的电流贡献 f）在不同电压下的PANI @ M-Ti3C2Tx膜的电化学阻抗图谱。

图3. a）PANI，b）Ti3C2（OH）2和c）PANI @ Ti3C2（OH）2的俯视图和侧视图 d）PANI，Ti3C2（OH）2和PANI @ Ti3C2（OH）2的功函数。

图4.非对称器件的电化学性能 a）压缩的M-Ti3C2Tx和压缩的PANI@M-Ti3C2Tx的循环伏安曲线 b）非对称M-Ti3C2Tx//PANI@M-Ti3C2Tx超级电容器的循环伏安曲线 c）在不同电流密度下，M-Ti3C2Tx//PANI@M-Ti3C2Tx全电池的恒电流充放电曲线 d）不同PANI@M-Ti3C2Tx负载下M-Ti3C2Tx //PANI@M-Ti3C2Tx全电池的体积能量和功率密度，插图在高电流密度下M-Ti3C2Tx//PANI@M-Ti3C2Tx器件的恒电流充放电曲线。

【本文总结】

 本文开发了高性能PANI@M-Ti3C2Tx正极，并通过第一性原理计算证明了其在正电压下的高电化学稳定性。该正极同时利用了正电压下的PANI的高电容和MXene的高倍率性能，这使得独立的PANI @ M-Ti3C2Tx电极在正电压窗口下具有1632 F cm-3（10 mV s-1）的高体积电容，扫描速率高达5000 mV s-1下827 F cm-3的高电容保持率，。我们进一步组装了一个非对称器件，分别以PANI @M-Ti3C2Tx（2.6 mg cm-2）和M-Ti3C2Tx作为正极和负极。器件的体积能量密度达到50.6 Wh L-1（1.7 kW L-1），即使在127 kW L-1的超高功率密度下，仍保持24.4 Wh L-1。这项研究表明，MXenes与其他具有较大功函数的氧化还原材料的合理复合使MXenes可以用作正极，并且它们之间的协同效应可以增强复合材料的性能，这为设计高性能基于MXene的正极和用于电化学能量收集，转换和存储的设备提供了机会。

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