双金属固溶体V3CrC3Tx增强Zn基微型超级电容器性能：极高面能量密度与优异机械柔韧性

研究速览

■ 近日，西北工业大学材料学院郭瑞生副教授和杜乘风副教授研究团队，在国际知名期刊Journal of Materiel Chemistry A上发表题为“Solid Solution Reinforced V3CrC3Tx MXene Cathodes for Zn-Ion Micro-Supercapacitors with High Areal Energy Density and Superior Flexibility”的研究论文。该论文基于固溶设计，制备了Zn//V3CrC3Tx 微型超级电容器。研究发现在V4C3Tx MXene中Cr原子部分取代 V 原子对锌离子的存储有着积极的影响，在体系容量、放电电位以及循环稳定性等方面均大幅提升。平面微型叉指结构的柔性器件展现出的极高面能量密度与优异机械柔韧性，为新一代柔性微型电源器件的发展拓展了新的途径。西北工业大学博士生王浩然为本文第一作者。

Part1

▉  研究摘要  ▉

■ 平面微型超级电容器(MSCs)易于与其它电子元器件集成，在柔性可穿戴电子领域中具有无与伦比的优越性。然而，低能量密度限制了其在更广领域范围内的应用。锌离子杂化超级电容器集金属锌阳极高能量密度和赝电容材料阴极高功率密度的优势于一身，受到业界学者的追捧。MXene，作为一种经典的二维层状赝电容材料有着极高的理论比容量和机械强度，近年来在储能领域发展如火如荼。

■ 鉴于此，西北工业大学郭瑞生副教授和杜乘风副教授团队基于固溶设计，以一系列钒基固溶体MXene(V4-yCryC3Tx, y = 0, 1, 2)为阴极材料（在V4C3Tx MXene中用Cr原子部分取代 V 原子），制备了平面型Zn//V3CrC3Tx 微型超级电容器。结合实验设计与理论计算证明了固溶体V3CrC3Tx MXene 中Cr组分具有扩大MXene晶格间距和促进离子扩散的作用，同时Cr的引入降低了Zn扩散表面势垒并促进了稳定的Zn多层吸附,因而对锌离子存储、器件长期循环稳定性等表现出了显著且积极的影响。除此之外，结合丝网印刷技术制备了纸基平面叉指微型柔性器件，该器件展现了极高的面能量密度（51.12 μWh cm-2)和优异的机械柔韧性。本研究采用新兴的MXene材料设计方法和完善的柔性方案，为柔性电子的发展注入了新的力量。

Part2

▉  研究要点1  ▉

■ 基于V和Cr原子相近的原子半径及配位形式，一系列钒基双金属固溶体MXene(V4-yCryC3Tx, y = 0, 1, 2)成功合成。在这种固溶过程中，随着Cr含量的增加MXene层间距逐渐增大，二维层状的形貌依然保留（图1）。

▉  研究要点2  ▉

■ 以一系列钒基固溶体MXene(V4-yCryC3Tx, y = 0, 1, 2) 为阴极材料，制备了扣式Zn//V4-yCryC3Tx超级电容器。双金属的V3CrC3Tx首次被制备并应用于锌离子杂化超级电容器，获得了令人惊艳的电化学性能（397.5 F g−1，0.2 mA cm−2），并拥有超长的循环稳定性（50000次，保持率70.2%）（图2）。除此之外， V4C3Tx 中 Cr 原子部分取代 V 原子引发了 MXene 层间距的扩大，对 Zn 离子的吸附增加，促进了离子扩散，显著提高电容、放电电位和循环稳定性。该结论已通过相关实验设计（电化学、动力学表征，离位XPS、XRD）（图3）以及DFT理论计算（图4）被证实。

▉  研究要点3  ▉

■ 随着人们对柔性可穿戴智能系统无缝集成的日益关注，电源器件的柔性化、微型化以及高能量和功率密度的需求迫在眉睫，促使开展了柔性微型储能器件的研究工作。该工作结合丝网印刷金属集流体，在纸上集成了柔性Zn//V3CrC3Tx微型超级电容器，并获得了极高的面能量密度（51.12 μWh cm-2)和优异的机械柔韧性（图5）。

Part3

▉  研究总结  ▉

■ 新型的二维材料V4C3Tx MXenes因为在晶体核内具有优异的导电性，表面具有丰富的官能团，金属离子扩散的低势垒，离子插层的大层间空间，可以构建具有显著高能量密度和高功率密度的先进MXene基纳米结构用于不同类型的锌基微型储能器件。固溶体MXenes作为电极材料，相对于单一组分的MXenes，通常表现出更为出色的电化学性能。结合实验设计和理论计算，制备并比较了一系列Zn//V4-yCryC3Tx超级电容器。

创新点：

1.Cr组分具有扩大MXene晶格间距和促进离子扩散的作用，可提高储Zn的理论容量和循环稳定性，且性能提升的根源是降低的表面势垒和稳定的多层Zn吸附；2.结合Zn金属阳极和V3CrC3Tx固溶体阴极材料的纸基平面微型柔性器件成功制备，兼具高能量密度和良好机械柔韧性，为柔性电子设备储能单元提供了稳定可靠的选择。

文章链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta04747k