徐帅凯教授、万玲玉教授、杨亚教授， Nano Energy：利用液晶分子添加剂抑制MXene基超级电容器自放电

第一作者：李佳敏

通讯作者：徐帅凯*，万玲玉*，杨亚*

单位：广西大学，中国科学院北京纳米能源与系统研究所

超级电容器具有快速充放电、高功率密度、长循环寿命和高效能量转换等优点，使其在许多领域，如电动交通、电子设备和可再生能源储存等方面具有广泛的应用前景。MXene由于其高导电性、亲水表面和丰富的表面基团，已被视为极具潜力的超级电容器电极材料。尽管先前报道的基于MXene的超级电容器具有高电容和长循环寿命，但由于不可避免的自放电过程，这些超级电容器通常呈现出短期储电问题，严重限制了其储能效率。根据能量密度E = 1/2 CV²的公式（其中E、C和V分别表示能量密度、比电容和工作电压），电容器电压衰减30%就会导致50%的能量损失。因此，抑制MXene超级电容器的自放电对其实际应用具有重要研究意义。本研究工作通过向Ti₃C₂T_x薄膜和LiCl电解质中引入向列相液晶4-n-戊基-4′-对氰基苯（5CB）分子，有效地抑制了MXene基超级电容器（SCs）的自放电速率，促进了MXene基超级电容器在能量存储设备和集成电子器件中的应用。

近日，来自广西大学的徐帅凯教授，万玲玉教授与中国科学院北京纳米能源与系统研究所杨亚教授合作，在国际知名期刊Nano Energy上发表题为“Suppressing the self-discharge of MXene-based supercapacitors by liquid crystal additive”的文章。该文章通过向Ti₃C₂T_x薄膜和LiCl电解质中引入向列相液晶4-n-戊基-4′-对氰基苯（5CB）分子，有效地抑制了MXene基超级电容器（SCs）的自放电速率。

作者成功地利用乙醇作为液晶添加剂的助溶剂，制备出了LiCl+LC混合电解质和MX+LC复合膜。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，发现复合膜的截面具有明显的二维层状结构，这有利于电解质离子的快速嵌入和脱嵌过程。通过X射线光电子能谱（XPS）的研究，探究了薄膜中Ti₃C₂T_x和5CB之间的相互作用。通过对比O1s区的高分辨率光谱（图2h），发现MX+LC膜在531.0 eV处的C-Ti-(OH)X峰明显增强，表明电负性的Ti₃C₂T_x纳米片与5CB分子之间存在相互作用。XPS的结果还证实，在不影响Ti₃C₂T_x纳米片表面官能团的情况下，5CB分子可以锚定在Ti₃C₂T_x纳米片表面。

通过对MX+LC复合膜在LiCl+LC混合电解质中的电化学性能进行分析，作者发现循环伏安曲线（CV曲线）总体呈准矩形，其中MX+2.0%LC薄膜展现了最大的比电容，在2 mV s^-1的扫描速率下达到约100 F g^-1。即使在高达1000 mV s^-1的扫描速率下，MX+2.0%LC薄膜的重量电容仍保持在初始值的50%左右，表现出良好的速率性能。为了进一步研究复合膜在混合电解质中的电荷存储机制，作者采用公式i(v)=K₁ v+K₂ v^1/2对低扫描速率下的CV进行了分析，结果表明电容贡献在电荷存储过程中起主导作用。相比于单独在LiCl和LiCl+0.2%LC电解质中的Ti₃C₂T_x薄膜，MX+2.0%LC在LiCl+0.2%LC电解质中以仅为4.5 mV的低电势降表现出最低的自放电速率（图3h）。当复合膜充满电后，插层于Ti₃C₂T_x纳米片之间和溶解于电解质中的5CB分子，由于电流变效应方向会发生改变而垂直于纳米片，形成一个阻挡层，从而显著增加电解质的粘度，并抑制离子的交叉扩散/重分布和寄生法拉第反应。

作者进一步组装了对称超级电容器并测试了自放电曲线，发现基于MXene的超级电容器表现出优异的性能，具有每小时314毫伏的低自放电速率，在4600秒后仅有35%的电压下降，并且仅有3.0微安的低泄漏电流，优于先前文献中报道的MXene基超级电容器。所组装的MXene超级电容器可以用来有效地收集由摩擦电纳米发电机产生的能量，具有很高的应用潜力。

Suppressing the self-discharge of MXene-based supercapacitors by liquid crystal additive

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108754.

徐帅凯 教授 简介：2019年博士毕业于吉林大学物理学院，师从韩炜教授。随后加入广西大学，现为物理科学与工程技术学院副教授与博士生导师。主要从事柔性电化学储能器件、高功率超级电容器、水系电池、新型高安全电池方面研究，包括高性能电极材料、宽电压液态电解质与电极材料界面、结构设计。近年来，在Nano Energy, Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Chemistry A等高水平期刊发表文章30余篇，申请发明专利3项，主持国家自然科学基金及省部级基金项目。

万玲玉 教授 简介：广西大学物理科学与工程技术学院教授，博士生导师。主要从事晶体电光器件、光学涡旋和光电子学器件的研究工作。《光子学报》，《光学学报》和《Optical Engineering》审稿人。发表教学科研论文70余篇，其中SCI、EI收录30余篇，获得发明专利8项，实用新型专利5项，主持多项国家自然科学基金及省部级基金项目。

杨亚 教授 简介：中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员，博士生导师，微纳能源与传感研究室主任。担任中国仪表功能材料学会电子元器件关键材料与技术专业委员会委员, 中国金属学会材料科学分会第八届委员会委员，纳米能源所纳米材料表征平台主任，全国研究生教育评估监测专家。在微纳能源与传感研究方面，取得了具有国际重要影响力的原创性和开创性研究成果。以构建高性能多效应耦合纳米发电机和高精度自供电传感器阵列为目标，从铁电材料的设计和可控制备出发，探索力-热-光耦合效应对纳米发电机的调制机理，在新型复合与耦合纳米发电机的设计和集成、基于复合与耦合纳米发电机的自驱动多功能传感器、柔性大规模传感阵列系统等领域取得了重要进展。

在国际SCI杂志Nature Energy、Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances、Energy & Environmental Science、Advanced Materials和Advanced Energy Materials等发表学术论文200余篇[IF>12：100余篇]。论文被引用总数18000余次，H指数为81 (Web of Science的数据)。撰写并出版英文专著1部。研究结果被各类著名国际学术期刊或媒体如Nature Photonics、AAAS、Cell Press、The Guardian等作为亮点报道。已授权美国专利1项，申请和授权的中国专利40余项。获2018年国家自然科学二等奖和2010年北京市科学技术一等奖，博士论文被评为2013年全国百篇优秀博士学位论文。担任Nanoenergy Advances创刊和现任主编，InfoMat、Nano-Micro Letters、SmartMat、Nanoscale、iScience、Scientific Reports、Nanomaterials、Nanoscale Advances和Energies杂志编委或者委员，Research、iScience、Nanomaterials和Energies杂志Guest Editor，Nature、Nature Electronics、Nature Communications和Science Advances等期刊审稿人。国际学术会议分会主席6次，被邀请做过50多次学术演讲或邀请报告。主持或承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市杰出自然科学基金、中科院国际合作交流项目、国家电网和腾讯公司等20余项基金课题。

李佳敏：广西大学硕士研究生，主要从事新型二维纳米材料的开发及其在电化学储能器件中的应用研究。

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