论文部分内容阅读
超级电容器是介于传统电容器和二次电池之间的新型储能器件,它具有优异的功率密度和循环稳定性等诸多优点。随着便携式和可穿戴电子设备的迅速发展,微型超级电容器的研究受到了广泛的关注。对于用于此类电子设备的储能器件来说,体积能量密度是非常重要的性能参数,但很多电极材料由于较低的电导率或较低的密度而不能获得理想的能量密度。新型二维材料MXene由于具有较高的理论比电容、优异的电导率和机械性能,而在便携式和可穿戴电子储能设备等领域具有巨大的应用前景。然而,与其它一些二维材料相似,由于片层间存在较强的范德华力,在MXene膜电极制备过程中会发生不可避免的层间堆叠,进而阻碍电解质离子与活性材料的充分接触。针对该问题,本文首先采用1,5-二羟基蒽醌功能化的碳纳米管（AQ-CNT）插层MXene制备了MXene/AQ-CNT复合薄膜电极。引入的AQ-CNT可以有效地缓解MXene片层间的堆叠。与此同时,修饰的AQ可以引入额外的赝电容,进而增加薄膜电极整体的比电容。通过优化AQ-CNT的添加量,可以知道添加量为6.3%的膜电极具有最优异的电容性能。在1 A g-1的电流密度下,MXene/AQ-CNT的比电容为337.8 F g-1,相比于纯MXene膜电极提高了约10%。AQ-CNT的添加显著提升了膜电极的亲水性能和拉伸强度,其与水的初始接触角由43.6o减小至18.9o,拉伸强度也增加至纯MXene的三倍。此外,与纯MXene膜电极相比,随着膜电极厚度的增加,MXene/AQ-CNT均展现出更为优异的电容性能与倍率性能,这表明AQ-CNT的添加能够有效改善MXene的电化学性能。为进一步提升MXene膜电极自身的电容性能,在不借助其他层间阻隔剂的情况下,采用冷冻干燥方法制备了f-MXene膜电极。在冷冻干燥过程中,MXene层间的水分通过升华除去,从而尽可能地保留了MXene片层间的原有结构,构建了有效的离子传输通道。所制备的f-MXene膜电极在1 A g-1电流密度下的比电容为341 F g-1,电流密度增大至10 A g-1时,仍能保留206.2 F g-1的电容值,表明其优异的倍率性能。通过对比不同厚度的膜电极的电容性能发现,当膜厚度增加时,冷冻干燥方法依然能够有效提升MXene的电容性能。