刘宗怀教授、何学侠副教授团队在全温柔性超级电容器研究中取得重要进展

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Ti3C2Tx（MXene）具有二维层状结构、类金属高导电率（15000 S cm-1）与高体积比电容（1500 F cm-3），是制备柔性纤维电极的理想候选材料。但是，由于采用化学刻蚀、剥离制备的Ti3C2Tx纳米片横向尺寸小及层间作用力弱，使得通过湿法纺丝制备兼具柔性和优越电容性能Ti3C2Tx纤维存在一定的挑战。另外，由Ti3C2Tx纤维电极组装的纤维超级电容器在严寒或炎热条件下电容会严重下降，严重影响其在极端天气中的应用。因此，迫切需要开发一种全温Ti3C2Tx基纤维超级电容器以适应不同温度应用需求，但关于全温全固态Ti3C2Tx基纤维超级电容器鲜有报道。

        近日，我院刘宗怀教授和何学侠副教授课题组，以一维芳纶纳米纤维（ANF）作为柔性功能添加剂，二维Ti3C2Tx纳米片为组装单元，采用湿法纺丝技术，在0.5 M FeCl2凝固浴中成功制备了兼具柔性与高电容性能Ti3C2Tx/ANF（T/A）复合纤维电极。同时，将剥离后的蒙脱土纳米片（F-MMT）及二甲基亚砜（DMSO）引入到传统的聚乙烯醇-硫酸（PVA-H2SO4）水凝胶电解质中，成功制备了具有低温抗冻、高温耐热、质轻、柔性和高离子导电性F-MMT/PVA有机水凝胶电解质。以Ti3C2Tx/ANF-5纤维作为正负极、F-MMT/PVA有机水凝胶电解质作为电解质和隔膜，分步浸泡成功组装了全温全固态柔性F-MMT/PVA T/A-5基纤维超级电容器。组装的纤维超级电容器具有295 F·cm-3的高比电容和26.2 mWh cm-3的体积能量密度， 10000次充电/放电循环后电容保持率为91%。同时，F-MMT/PVA T/A-5基纤维超级电容器在-40~80 °C的宽温度范围内展现出了良好的柔性和优异的电容性能。该研究为设计和组装具有电容性能和柔性优化平衡的全温度全固态对称柔性纤维超级电容器提供了新策略。
        相关研究成果以题为“Full-Temperature All-Solid-State Ti3C2Tx/Aramid Fiber Supercapacitor with Optimal Balance of Capacitive Performance and Flexibility”发表在Adv. Funct. Mater.上，我院硕士研究生刘奇为第一作者，刘宗怀教授和何学侠副教授为共同通讯作者。
        论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010944


         文章来源：陕西师范大学
         刘宗怀，陕西师范大学教授(博士生导师)，研究方向： 纳米功能材料及储能材料。研究内容包括：（1）不同电性无机层状化合物的剥离反应新技术及无机纳米层重组过程规律性研究。通过插入反应、离子交换、溶剂润湿等手段，实现不同构造无机层状化合物的膨润乃至剥离；（2）利用剥离得到的不同电性金属氧化物纳米层交互积层复合反应，组装超级电容器用纳米电极材料，期待纳米电极材料具有快速的电荷存贮和电化学反应双重特性，开发无机纳米层复合组装制备纳米超级电容器用电极材料新技术，实现超级电容器的大容量、高功率及高能量密度；（3）以金属氧化锰为主体材料，利用铸型插入反应及高温高压处理等技术，通过控制氧化锰材料的晶相和形貌，制备大比表面积、高热稳定性、介孔新型多孔氧化锰结晶材料，筛选适合超级电容器用电极材料，达到改善超级电容器循环稳定性及能量密度等问题。
       何学侠，陕西师范大学副教授。主要研究方向：1.二维层状材料的设计、制备以及功能化。2.二维层状纳米材料的结构调控、光电以及储能性能研究。