咨询热线18043212860微信
网站首页 关于我们 产品介绍 学术文章 行业动态 公司环境 业务范围 资质荣誉 资料下载 联系"11" 留言/预约

行业动态

当前位置:首页-行业动态

东华大学J. Power Sources: MXene纳米纤维涂覆纱线电极

发布时间:2018/09/04

                                                                       

【引言】

近年来,随着电子产品小型化便携化的发展趋势,柔性的高性能储能元件成为了一个新兴的研究热点,而超级电容器则是储能元件领域最具有发展前景的方向之一。电极材料的性能以及电极的制备方法是决定超级电容器性能的重要因素。

常用的超级电容器电极材料包括碳材料、过渡金属氧化物/氢氧化物、导电聚合物等等。而MXene材料则是一种新型的超级电容器理想电极材料,由MAX相陶瓷材料剥离得到,具有与石墨烯相似的结构,比表面积大且只有几个原子层的厚度,导电性能良好,因此在电化学领域、超级电容器、超导材料等多个领域均得到广泛的应用。

另一方面,柔性超级电容器要求电极具有良好的机械柔性。通过将电极材料涂覆到可纺纱线表面的改性方法可以制备具有良好机械柔性和可纺性的一维纱线电极(NCY, Nanofibers Coated Yarns, ACS Appl. Energy Mater., 2018, 1, 377-386.),可应用于智能织物和可穿戴储能元件中。传统的涂覆方法如气相聚合、电化学沉积、薄膜镀层等都有涂覆过程难以控制,涂覆层易破裂等缺陷。而静电纺丝是一种新型的非纺成丝技术,具有制备过程简单的优点,涂覆过程可控,并且由于高压电场本身的对称型,可以达到均匀的涂覆,在不影响纱线本身柔性和纺织性能的条件下得到均匀稳定的涂覆层。

【成果简介】

近日,东华大学材料学院及纤维材料改性国家重点实验室朱美芳课题组杨升元副教授(通讯作者)报道了一种新颖的基于PET纤维的柔性超级电容器的制备方法。采用新型的MXene材料作为电极材料,通过静电纺丝工艺将MXene纳米纤维均匀涂覆在导电可纺纱线表面,从而得到一维电极材料并组装得到柔性超级电容器。在这种柔性电极中,静电纺丝的工艺方法保证了MXene涂覆层具有良好的结合力和均匀性,并且保留了导电纱线良好的机械柔性和可纺性。由于MXene的高导电性,由此制备的柔性超级电容器表现出优异的电化学性能。该研究成果发表于国际能源期刊Journal of Power Sources(影响因子6.95),共同第一作者为东华大学硕士生邵文宇和留学生Mike Tebyetekerwa(来自乌干达).

【图文解析】

东华大学J. Power Sources: MXene纳米纤维涂覆纱线电极


“纳米纤维涂覆纱线”(NCY, Nanofibers Coated Yarns)概念的提出

  1. Tebyetekerwa(#), Z. Xu(#) et al., ACS Appl. Energy Mater., 2018, 1, 377-386.

东华大学J. Power Sources: MXene纳米纤维涂覆纱线电极


图1. (a)PET纱线的示意图及其(b)(c)不同放大倍率下的SEM图像;(d)纳米纤维涂覆纱线的示意图及其(e)(f)不同放大倍率下的SEM图像;(g)未涂覆和已涂覆纱线的照片;(h)MXene纳米纤维形貌的SEM图像;(i)涂覆纱线的截面SEM图像;(j)纺丝时间30分钟的涂覆纱线的SEM图像及其相对应的Ti(k),C(l),O(m)EDS Mapping图

东华大学J. Power Sources: MXene纳米纤维涂覆纱线电极


图2. 不同纺丝时间下所制备超级电容器的电化学性能;(a)100mV·s-1时CV曲线;(b)0.50mA·cm-2时GCD曲线;(c) Nyquist曲线;(d)面积比电容随扫描速率的变化曲线

东华大学J. Power Sources: MXene纳米纤维涂覆纱线电极


图3. 纺丝时间为30分钟的超级电容器的(a)不同扫描速率下的CV曲线;(b)不同电流密度下的GCD曲线;(c)面积比电容和体积比电容随扫描速率的变化曲线;(d)与石墨烯、碳纳米管材质纱线的性能对比;(e)电容保持率曲线

东华大学J. Power Sources: MXene纳米纤维涂覆纱线电极


图4. (a)不同弯曲工作条件下超级电容器的电容变化曲线;(b)本文所制备超级电容器与其他超级电容器性能对比;(c)超级电容器为LED灯供电的示意图

【小结】

本文使用新型的MXene材料作为电极材料,通过静电纺丝的工艺方法,将MXene纳米纤维涂覆在导电PET可纺纱线表面,形成结合力强的均匀涂覆层,从而制备了机械柔性良好的一维纱线电极,并组装得到柔性超级电容器。通过一系列表征得到了如下结论:

  1. 通过SEM手段表征涂覆前后的导电可纺纱线,可以发现通过静电纺丝的方法,MXene纳米纤维层被均匀的涂覆在了可纺纱线表面,纤维表面形貌良好,平均直径在100-200nm之间。

  2. MXene/NCY超级电容器表现出了优异的电化学性能,在5mV·s-1扫描速率下可达到18.39mF·cm-2的面积比电容,在6000次充放电循环后仍具有98.2%的电容保持率。其功率密度和能量密度分别达到0.39mW·cm-2和0.38μWh·cm-2,其中功率密度明显高于其他已报道的电化学活性材料所制备的超级电容器。

iii. 由NCY作为电极制备的超级电容器具有良好的柔性,可适应不同弯曲程度的工作条件,其比电容在不同工作条件下基本保持不变,并且保持了PET纤维本身的可编织性从而在柔性可穿戴储能领域拥有极佳的应用前景。

Wenyu Shao, Mike Tebyetekerwa, Weili Li, Ifra Marriam, Yongzhi Wu, Shengjie Peng, Seeram Ramakrishna, Shengyuan Yang and Meifang Zhu; [email protected] Nanofibers-based Yarn Electrodes; J. Power Sources, 2018, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.06.084

本文由能源学人编辑wwl发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/18209.html

原文链接:J. Power Sources