使用钾离子电池实现更高的性能

超级电容器正在成为锂离子电池的替代品，可提供更高的功率密度和更长的使用寿命(维持容量的循环次数)。超级电容器就像电池(具有高能量存储)和普通电容器(具有高功率放电)之间的交叉。

城市大学于 3 月 21 日在Nano Research Energy上发表的一项新研究表明，使用 MXene 化合物构建的电容器具有出色的性能。MXenes 是二维无机化合物，其用于能量存储的大分子表面积赋予它们超高的导电性和存储容量。

超级电容器可以在狭小的空间内储存大量能量，并以大电流释放;例如，它们可以为可穿戴电子设备等迷你设备供电。然而，当用有机分子制成时，超级电容器有着火的危险。

这项新研究探索了用无机 MXene 分子制成的超级电容器，以降低火灾风险。他们没有使用更昂贵的锂，而是使用了钾。钾离子或 K 离子是最常用的电解质之一，可让电流在电池中流动。该论文的主要作者、材料科学与工程系研究员梁国金说，他们“利用本质安全的水基电解质研究了水性超级电容器，并专注于更便宜、更丰富的 K 离子存储。在地球上受益于安全和低成本的应用。”

MXenes 化合物由几个原子厚的过渡金属层组成，例如金属碳化物、氮化物或碳氮化物。它们具有跨导电金属碳化物层的有效电子传输的电气特性，以及非常适合氧化还原(电子转移)反应的金属表面。

从不同的 MXenes 中，本研究选择了三个用于性能比较。“通过横向比较三种具有代表性的 MXene 物种的 K 离子存储性能，我们想弄清楚结构与其 K 离子存储性能之间的关系，”同样来自材料科学与工程系的主要作者 Xinliang Li 说.

研究了三个 MXene 电极或电导体(Nb 2 C、Ti 2 C 和 Ti 3 C 2)的电化学行为，包括 K 离子如何插入 MXene 层以及离子如何粘附到金属表面。研究人员评估了超级电容器的存储机制、容量、倍率性能和循环性能。

采用 Nb 2 C MXene的 K 离子电容器性能最为突出，最高的功率密度(放电量)为 2336 W/kg，能量密度(储存量)为 24.6 Wh/kg。虽然锂离子电池的能量密度比电容器高，但其功率密度仅为250-340 W/kg。因此，带有 MXene 的 K 离子电容器可以更快地释放功率数量级。采用 Nb 2 C MXene 的电容器在以 5 安培/克的电放电 30,000 次循环后几乎保持满容量 (94.6%)，而锂离子电池预计可持续使用大约 500 次循环。

所有 MXene 材料都表现出超级电容器行为——快速的动力学和持久的 K 离子存储——提供比其他 K 离子主体材料更好的性能。结果源于 MXene 在获取和释放钾离子时的稳定结构。梁说：“这可能归因于 K 离子传输的本质上较大的层间距离和 MXene 出色的结构稳定性，即使经过长期的钾化/去钾化过程。”

尽管只研究了三个 MXene 电极，但其他 MXene 化合物可能具有用作水性 K 离子主体电极的巨大潜力。研究人员希望他们的发现将“进一步引起人们对其他有前途的 MXene 电极的关注，以实现持久的 K 离子存储。”

研究人员计划进一步试验 MXene 电极，以提高实际应用的性能。“关于 K 离子电容器，我们希望修改和操纵 MXene 电极种类以获得更高的能量密度，”Chunyi Zhi 教授说。他们最终渴望为可穿戴电子设备和其他小型功率设备改进 K 离子电容器，因为它们性能高、安全且相对便宜。

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