Eine aktuelle Studie unter der Leitung von Prof. Zhong-Shuai Wu (Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinese Academy of Sciences (CAS)) und Prof. Hui-Ming Cheng (Institute of Metal Research of CAS) und veröffentlicht in National Science Review untersucht wässrige MXene-Planar-Mikro-Superkondensatoren.
MXene, eine Familie von 2D-Übergangsmetallkarbiden und -nitriden mit über 30 Arten, entwickeln sich als Hochleistungselektrodenmaterialien. Eine MXene-Elektrode wird jedoch bei hohem Anodenpotential in wässrigen Elektrolyten leicht oxidiert, und ihre Betriebsspannung ist normalerweise durch das elektrochemische thermodynamische Stabilitätsfenster von Wasser begrenzt, was zu kleinen Betriebsspannungen von normalerweise weniger als 0,6 V führt, was die Energiedichte stark einschränkt von MXene-basierten MSCs (MXene-MSCs).
Darüber hinaus gefrieren wässrige Elektrolyte bei Minustemperaturen leicht, was zu einem starken Abfall der Ionenleitfähigkeit führt. Während bei hohen Temperaturen die Struktur von wässrigen Elektrolyten so instabil ist, dass es aufgrund der Flüchtigkeit schwierig ist, innere Wassermoleküle zurückzuhalten. Daher ist es immer noch eine große Herausforderung, wässrige Elektrolyte mit hoher Spannung und breitem Temperaturbereich zu entwickeln.
„Wir haben einen kostengünstigen, umweltfreundlichen und hochkonzentrierten wässrigen LiCl-Elektrolyten entwickelt, um die Reaktionskinetik von MXene (Ti3C2Tx) Elektrode und Elektrolyt, die nicht nur die Betriebsspannung von MXene-MSCs durch Hemmung der Oxidation bei hohem Potential verbreiterten, sondern auch den Temperaturbereich aufgrund eines niedrigen Gefrierpunkts vergrößerten“, sagte Prof. Wu.
Die so hergestellten symmetrisch planaren wässrigen MXene-MSCs mit dem oben erwähnten Elektrolyten erreichten eine Betriebsspannung von bis zu 1,6 V und eine Energiedichte von bis zu 31,7 mWh cm-3 bei Raumtemperatur.
Der niedrige Gefrierpunkt (-57 °C) des hochkonzentrierten LiCl-Gelelektrolyten ermöglichte es MXene-MSCs auch, in einem breiten Temperaturbereich (-40 °C bis 60 °C) stabil zu arbeiten. Die Skalierbarkeit und Flexibilität von MXene-MSCs erleichtert ihre Integration in tragbare Mikroelektronik.
Yuanyuan Zhu et al., Kinetische Regulierung von MXene mit Wasser-in-LiCl-Elektrolyt für Hochspannungs-Mikro-Superkondensatoren, National Science Review (2022). DOI: 10.1093/nsr/nwac024