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東華大學J. Power Sources: MXene納米纖維涂覆紗線電極

發布時間:2018/09/04

                                                                       

【引言】

近年來,隨著電子產品小型化便攜化的發展趨勢,柔性的高性能儲能元件成為了一個新興的研究熱點,而超級電容器則是儲能元件領域最具有發展前景的方向之一。電極材料的性能以及電極的制備方法是決定超級電容器性能的重要因素。

常用的超級電容器電極材料包括碳材料、過渡金屬氧化物/氫氧化物、導電聚合物等等。而MXene材料則是一種新型的超級電容器理想電極材料,由MAX相陶瓷材料剝離得到,具有與石墨烯相似的結構,比表面積大且只有幾個原子層的厚度,導電性能良好,因此在電化學領域、超級電容器、超導材料等多個領域均得到廣泛的應用。

另一方面,柔性超級電容器要求電極具有良好的機械柔性。通過將電極材料涂覆到可紡紗線表面的改性方法可以制備具有良好機械柔性和可紡性的一維紗線電極(NCY, Nanofibers Coated Yarns, ACS Appl. Energy Mater., 2018, 1, 377-386.),可應用于智能織物和可穿戴儲能元件中。傳統的涂覆方法如氣相聚合、電化學沉積、薄膜鍍層等都有涂覆過程難以控制,涂覆層易破裂等缺陷。而靜電紡絲是一種新型的非紡成絲技術,具有制備過程簡單的優點,涂覆過程可控,并且由于高壓電場本身的對稱型,可以達到均勻的涂覆,在不影響紗線本身柔性和紡織性能的條件下得到均勻穩定的涂覆層。

【成果簡介】

近日,東華大學材料學院及纖維材料改性國家重點實驗室朱美芳課題組楊升元副教授(通訊作者)報道了一種新穎的基于PET纖維的柔性超級電容器的制備方法。采用新型的MXene材料作為電極材料,通過靜電紡絲工藝將MXene納米纖維均勻涂覆在導電可紡紗線表面,從而得到一維電極材料并組裝得到柔性超級電容器。在這種柔性電極中,靜電紡絲的工藝方法保證了MXene涂覆層具有良好的結合力和均勻性,并且保留了導電紗線良好的機械柔性和可紡性。由于MXene的高導電性,由此制備的柔性超級電容器表現出優異的電化學性能。該研究成果發表于國際能源期刊Journal of Power Sources(影響因子6.95),共同第一作者為東華大學碩士生邵文宇和留學生Mike Tebyetekerwa(來自烏干達).

【圖文解析】

東華大學J. Power Sources: MXene納米纖維涂覆紗線電極


“納米纖維涂覆紗線”(NCY, Nanofibers Coated Yarns)概念的提出

  1. Tebyetekerwa(#), Z. Xu(#) et al., ACS Appl. Energy Mater., 2018, 1, 377-386.

東華大學J. Power Sources: MXene納米纖維涂覆紗線電極


圖1. (a)PET紗線的示意圖及其(b)(c)不同放大倍率下的SEM圖像;(d)納米纖維涂覆紗線的示意圖及其(e)(f)不同放大倍率下的SEM圖像;(g)未涂覆和已涂覆紗線的照片;(h)MXene納米纖維形貌的SEM圖像;(i)涂覆紗線的截面SEM圖像;(j)紡絲時間30分鐘的涂覆紗線的SEM圖像及其相對應的Ti(k),C(l),O(m)EDS Mapping圖

東華大學J. Power Sources: MXene納米纖維涂覆紗線電極


圖2. 不同紡絲時間下所制備超級電容器的電化學性能;(a)100mV·s-1時CV曲線;(b)0.50mA·cm-2時GCD曲線;(c) Nyquist曲線;(d)面積比電容隨掃描速率的變化曲線

東華大學J. Power Sources: MXene納米纖維涂覆紗線電極


圖3. 紡絲時間為30分鐘的超級電容器的(a)不同掃描速率下的CV曲線;(b)不同電流密度下的GCD曲線;(c)面積比電容和體積比電容隨掃描速率的變化曲線;(d)與石墨烯、碳納米管材質紗線的性能對比;(e)電容保持率曲線

東華大學J. Power Sources: MXene納米纖維涂覆紗線電極


圖4. (a)不同彎曲工作條件下超級電容器的電容變化曲線;(b)本文所制備超級電容器與其他超級電容器性能對比;(c)超級電容器為LED燈供電的示意圖

【小結】

本文使用新型的MXene材料作為電極材料,通過靜電紡絲的工藝方法,將MXene納米纖維涂覆在導電PET可紡紗線表面,形成結合力強的均勻涂覆層,從而制備了機械柔性良好的一維紗線電極,并組裝得到柔性超級電容器。通過一系列表征得到了如下結論:

  1. 通過SEM手段表征涂覆前后的導電可紡紗線,可以發現通過靜電紡絲的方法,MXene納米纖維層被均勻的涂覆在了可紡紗線表面,纖維表面形貌良好,平均直徑在100-200nm之間。

  2. MXene/NCY超級電容器表現出了優異的電化學性能,在5mV·s-1掃描速率下可達到18.39mF·cm-2的面積比電容,在6000次充放電循環后仍具有98.2%的電容保持率。其功率密度和能量密度分別達到0.39mW·cm-2和0.38μWh·cm-2,其中功率密度明顯高于其他已報道的電化學活性材料所制備的超級電容器。

iii. 由NCY作為電極制備的超級電容器具有良好的柔性,可適應不同彎曲程度的工作條件,其比電容在不同工作條件下基本保持不變,并且保持了PET纖維本身的可編織性從而在柔性可穿戴儲能領域擁有極佳的應用前景。

Wenyu Shao, Mike Tebyetekerwa, Weili Li, Ifra Marriam, Yongzhi Wu, Shengjie Peng, Seeram Ramakrishna, Shengyuan Yang and Meifang Zhu; Polyester@MXene Nanofibers-based Yarn Electrodes; J. Power Sources, 2018, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.06.084

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。原文鏈接:J. Power Sources