徐鸣教授&Yury Gogotsi教授Nature子刊：碳纳米管-MXene联手实现高速低温电化学能量存储- 大数跨境

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徐鸣教授&Yury Gogotsi教授Nature子刊：碳纳米管-MXene联手实现高速低温电化学能量存储

科学材料站

2020-12-09

导读：该工作开发了一种新型的MXene/绳结结构碳纳米管复合电极，其三维开放式结构最大限度地帮助离子进入电极内部，促进了离子传输，从而实现优异的低温及高倍率性能。

文章信息

MXene/绳结结构碳纳米管复合电极设计：最大化离子可进入性以实现高速电化学能量存储

First published: 02 December 2020

第一作者：高翔，杜轩，Tyler S. Mathis

通讯作者：徐鸣 Yury Gogotsi

单位：华中科技大学德雷塞尔大学北京航空航天大学

研究背景

航空航天、极地等极端应用环境要求电化学储能器件可低温及高倍率运行。低温运行须使用有机电解液；此外，有机电解液比水系电解液具有更宽的工作电压窗口，基于有机电解液的储能器件在实现高能量密度方面更具前景。

然而，有机电解液相比水系电解液具有更大的离子尺寸和更低的电导率，且有机电解液中离子的溶剂化壳层也比水电解液中的大。这些特性增加了离子进入电极的难度，降低了电极材料中的离子传输动力，限制了器件的高倍率性能，也对实现低温电化学储能造成了巨大的障碍。

导师解析

该领域目前存在的问题？这篇文章的重点、亮点。

在制备一维二维纳米材料电极（碳管、石墨烯、Mxene等）的时候，都会不同程度地受到材料团聚的困扰；材料团聚会破坏导电网络的形成，并阻碍离子的传输，大幅降低器件的性能。例如MXene，虽然具有超高的导电性，却始终面临低温使用的困难。如何抑制纳米材料在电极制备中的团聚，是解决此类问题的关键。

该工作成功的基石在于新型绳结结构碳纳米管的制备；得益于结构稳定性和与Mxene的尺寸相配性，其在电极制备的过程中成功抑制了MXene的团聚，成功构筑了三维开放式导电网络电极结构。绳结结构碳纳米管的制备也是该工作的难点，生长参数以及催化剂的设计均对绳结结构碳纳米管的生长至关重要；我们团队在碳纳米管可控生长的经验积累起到了关键的作用。

文章简介

近日，华中科技大学的徐鸣教授与美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授合作在国际顶级期刊Nature Communications (影响因子：12.121) 上发表题为“Maximizing ion accessibility in MXene-knotted carbon nanotube composite electrodes for high-rate electrochemical energy storage”的研究工作。

该工作开发了一种新型的MXene/绳结结构碳纳米管复合电极，其三维开放式结构最大限度地帮助离子进入电极内部，促进了离子传输，从而实现优异的低温及高倍率性能。

结果表明，在合理的电极结构设计之后，赝电容材料也可以用于有机电解液中的高倍率能量存储，首次实现了MXene基超级电容器的低温运行（低至-60°C）。研究揭示了电极结构优化对离子传输能力的提升的重要性，提供了除低温电解液开发外实现低温储能器件运行的又一途径。

图1. 碳纳米管-MXene复合电极制备示意图

本文要点

要点一：在此研究中，三维开放式导电网络电极结构的成功制备源于一种新型的绳结结构碳纳米管的开发。研究者们通过碳纳米粗细管分步生长技术制得了独特的绳结结构；在与MXene复合的过程中，绳结结构碳纳米管抑制了MXene的堆叠，获得具有三维开放式导电网络的电极结构。

要点二：该复合电极的三维开放式结构最大限度地帮助离子进入电极内部，促进了离子传输，获得130 F g−1（276 F cm−3）的高电容；其电容在10 mV s−1到10 V s−1三个数量级扫描率具有约56%的保持率。其在有机电解液中亦表现出卓越的稳定性，在10,000次循环后没有任何容量衰减。

要点三：该复合电极亦具有优异的低温性能；组装的非对称器件在20至-60℃的温度范围内， 20 mV s-1的扫描速率下仍具有较高的电容保持率。在-30℃时，非对称器件可获得4.2 V的电压窗口，且没有明显的副反应或容量衰减；这是迄今为止所报道的MXene基超级电容器的最大工作电压窗口。其在-30℃下获得了59 Wh kg-1的能量密度和9.6 kW kg-1的功率密度，超过了已报道的低温工作的二维材料超级电容器的最佳值。

导师解析

您对该领域的今后研究的指导意见和展望?

目前，面向低温环境的储能器件方面的研究大多关注于低温电解液的开发。虽然低温电解液对器件的低温性能发挥了关键作用，但是电极结构的设计同样至关重要。该工作则展现了三维开放式导电网络电极结构对低温性能的重要影响。因此，低温储能器件的研发时，应同时考虑电解液和电极结构两方面的设计。

此外，在使用纳米材料时，应多关注结构设计对其宏观性能的影响。不同宏观性能对纳米材料具有不同的需求，我们应瞄准需求进行纳米材料的结构设计，进而充分发挥结构设计的优势，这样才能事半功倍。

徐鸣，华中科技大学材料科学与工程学院教授，博士生导师

“饭岛赏”最年轻的获得者，曾入选国家海外高层次人才青年项目，并获“湖北省杰出青年基金”资助。徐鸣教授研究团队主要从事碳纳米材料宏观结构构建及其极端环境性能研发，获批基金资助10余项。发展了可在极限环境中服役的碳纳米管橡胶、碳纳米管干胶、碳纳米基能量/传感器件等一系列原创性成果；其中“自发电型海啸预警传感器”获日内瓦国际发明展最高奖项-评审团特别嘉许金奖（2019）。共发表SCI论文47篇，授权专利14项；其中一作及通讯作者论文包括Science、Nature Catalysis, Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、JACS、Nano Letters等。研究成果获世界主流媒体(ABC News, 路透社，Discovery News)及顶级学术杂志(SCIENCE, Nature Chemistry，Angew. Chem. Int. Ed.等)广泛报道。

文章链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19992-3