双极自支撑！大比容水系锌离子电容器

A New Free–Standing Aqueous Zinc–Ion Capacitor Based on MnO₂–CNTs Cathode and MXene Anode

Siliang Wang, Qiang Wang, Wei Zeng*, Min Wang, LiminRuan, Yanan Ma*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 70

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0301-1

本文亮点

1 通过在水系电解质中组装自支撑的二氧化锰-碳纳米管(MnO2-CNTs)电池型阴极和MXene(Ti3C2Tx)电容器型阳极，得到了新型锌离子电容器(ZIC)。

2 MXene阳极具有大比电容，避免了ZIC阴极和阳极之间的电容失配问题。

3 本文所提出的ZIC的性能卓越，使其成为下一代储能设备有潜力的候选者。

内容简介

安徽大学王思亮与曾玮课题组和湖北汽车工业学院马亚楠课题组，研制出基于MnO2-CNTs阴极和MXene阳极的新型自支撑水系ZIC。

水系ZIC的阴极和阳极采用自支撑电极(真空抽滤和剥离获得)，不需要导电粘结剂，减小了器件额外质量和体积；利用比电容较大的MXene自支撑膜充当电容型阳极，有效的避免了ZIC阴极和阳极的电容失配问题；采用ZnSO4-MnSO4水系电解质，器件的安全性得以保障，同时MnSO4抑制了阴极中MnO2的溶解，器件的寿命得以大幅度提升。

水系ZIC表现出优异的电化学性能(基于阴极和阳极的总重量)，例如高比电容115.1 F/g(1 mV/s)，高能量密度98.6 Wh/kg(77.5 W/kg)，高功率密度2480.6 W/kg(29.7 Wh/kg)，高电容保持率83.6％(15,000次循环)。

即使在水系凝胶电解质中，ZIC也表现出优异的电化学性能和柔性。这项工作为设计高性能储能设备提供了有效的方法。

研究背景

受能源存储机制的限制，当前的能源存储装置具有一些缺点，例如电池的低功率密度和超级电容器的低能量密度。尽管，最近的离子电容器，例如锂和钠离子电容器，可以实现高能量和高功率密度。但是，大多数锂或钠离子电容器采用有机电解质，容易造成严重的安全事故；在有机电解质体系中，由于正负电极动力学与电容的失配，因此很难获得高性能的储能器件；受电池型电极本征特性限制，这些锂或钠离子电容器循环寿命不长；少数基于水系电解质的锂和钠离子电容器，其能量密度往往不高。因此有必要开发高能量密度、高安全性和长寿命的新型水系离子电容器。

图文导读

▍MnO2-CNTs电池型阴极和MXene电容器型阳极

采用真空抽滤和剥离的方法实现了自支撑的MnO2-CNTs电池型阴极和MXene电容器型阳极，如图1所示。利用电池型和电容型的储能机理，可以实现能量密度和功率密度均高的目标。

图1 MnO2-CNTs阴极和MXene阳极的表征。MnO2的(a)SEM图，(b)TEM图，(c)XRD图谱；MXene的(d)SEM图，(e)元素面扫描图，(f)XRD图谱；(g)MnO2-CNTs阴极表面和截面(插图)，(h)MXene阳极表面和截面(插图)和(i)MnO2-CNTs阴极和MXene阳极实物图。

▍ZIC在水系液态电解质中的电化学性能

ZIC在水系液态电解质中表现出优异的电化学性能。例如，高比电容115.1 F/g(1 mV/s)，高能量密度98.6 Wh/kg(77.5W/kg)，高功率密度2480.6 W/kg(29.7Wh/kg)和高电容保持率83.6%(15,000次循环)。

图2 ZIC在水系液态电解质中的电化学性能。(a, b) CV曲线，(c) GCD曲线，(d)比电容与扫速关系，(e) 能量密度和功率密度，(f) 奈奎斯特图(插图是拟合电路图)，(g) 初始和最后十个循环的GCD曲线和 (h) 循环寿命和库仑效率。

▍ZIC在水系凝胶电解质中的电化学性能和柔韧性

在水系凝胶电解质体系下，ZIC依然表现出优良的电化学性能和柔性。例如，在1mV/s的扫描速率下，ZIC比电容高达97.3 F/g; ZIC的能量和功率密度分别高达67.8 Wh/kg(59.9W/kg)和1085.3 W/kg(12.4Wh/kg); 在弯曲角度从0°到120°过程中，器件CV和GCD曲线几乎没有变化，奈奎斯特图几乎相同。

图3 ZIC在水系凝胶电解质中的电化学性能和柔性。(a，b) CV曲线，(c) GCD曲线，(d) 能量功率和功率密度(插图显示LED由单个ZIC驱动)，(e) 单个ZIC(A，B)和串并联连接ZICs的GCD曲线，(f) ZIC柔性示意图；0-120°弯曲角度下 (g) CV曲线(10 mV/s)，(h) GCD曲线(0.415 A/g)和 (i) 奈奎斯特曲线。

作者简介

王思亮

电子信息工程学院副教授，硕士生导师

▍主要研究领域

研究方向为柔性储能器件(超级电容器、锌离子电池)、应力传感器和光探测器。

▍主要研究成果

近年来，以第一作者、通讯作者或主要作者身份在ACS Nano、Advanced Energy Materials、Nano Energy、Journal of Materials Chemistry A、Advanced Electronic Materials、ACS Applied Materials & Interfaces等知名国际学术期刊上发表SCI论文20余篇，其中入选ESI高被引论文一篇。主持和参与国家自然科学基金、安徽省自然科学基金和安徽大学高层次人才引进基金。

Email: sliang_wang@163.com

曾玮

（本文通讯作者）

电子信息工程学院副教授，硕士生导师

▍主要研究领域

研究方向为储能器件(超级电容器)及传感器(压力、电磁场传感器)。

▍主要研究成果

近年来，以第一作者、通讯作者或主要作者身份在ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Power Sources、Advanced Electronic Materials等知名国际学术期刊上发表SCI论文20余篇。主持或参与国家自然科学基金、安徽省自然科学基金等项目。

Email: youfmail@163.com

马亚楠

（本文通讯作者）

湖北汽车工业学院副教授，硕士生导师

▍主要研究领域

主要研究功能纳米材料的可控制备、性能调控及其在压敏传感器和能源储存等相关领域的应用研究。

▍主要研究成果

近年来，以第一作者或主要作者身份在Nature Communications、ACS Nano、Advanced Electronic Materials、Sensorand Actuators B、Nano Energy、ACS Applied Materials & Interfaces等知名国际学术期刊上发表SCI论文20余篇，其中入选ESI高被引论文一篇。主持国家自然科学基金、湖北省自然科学基金以及湖北省重点实验室开放项目一项(汽车传动与电子控制)各一项，并参与多项国家基金面上项目。

Email: mayn@huat.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报》编辑部

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