基于褶皱状MXene电极的超大拉伸、高面积比容量超级电容器学术资讯

为满足电子器件与人体无缝集成的需求，可拉伸电子技术应运而生。当前，新型的电子材料和制造方法可加工出各类具有优异拉伸性的电子器件，例如贴皮传感器、可穿戴显示器、智能人机界面等，在弯曲、拉伸、扭转和三维变形过程中保持其稳定的性能。诸如电池、超级电容器和太阳能电池等储能器件则是构建整套可拉伸电子系统的关键部分。超级电容器凭借着其快速的充电/放电过程、优异的循环稳定性和简便的制造工序，成为可拉伸储能器件的主流选择。在电极材料方面，二维过渡金属碳化物和氮化物MXene，凭借其高电导率、溶液加工性和高体积电容等特性，成为制备超级电容器的理想电极材料。

图1. 可拉伸MXene电极的制备及表征

近日，南京大学孔德圣教授课题组在Nano Letters 上发表了基于褶皱MXene材料的大拉伸、高面积比容量电极的研究。利用预拉伸工艺及对二维MXene材料的调控，制备出了具有~900 mF/cm2高面积比容量、耐800%面积应变的高性能可拉伸电极。

图2. MXene薄膜厚度与电机械和电化学性能之间的关系

本研究中，通过对0.5~7 μm厚度范围内MXene薄膜的表面形貌、电机械和电化学性能的表征测试发现，薄膜的厚度对其电机械稳定性能产生了较大影响。由于真空抽滤工艺和材料本身的限制，抽滤得到的MXene薄膜表面凹凸粗糙，随着厚度的增加，粗糙度稳定在1.2 μm。因此，厚度小于1.2 μm的薄膜在拉伸疲劳测试中极易碎裂，导致电机械性能不稳定；在3 μm厚度时，可拉伸电极电机械性能保持较好；厚度再增大时，薄膜刚度的影响变大，易在回缩过程破碎。不同厚度薄膜1000次拉伸-回缩测试前后的电化学性能也进一步验证了厚度对可拉伸电极性能的影响。