近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)，開發(fā)出一種基于MXene衍生鈦酸鉀負(fù)極材料的高電壓鉀離子微型超級(jí)電容器，并以此構(gòu)建出微型超級(jí)電容器—壓力傳感器的集成微系統(tǒng)。
為適應(yīng)柔性、可穿戴、可植入微電子的快速發(fā)展，需要發(fā)展具有高性能、機(jī)械穩(wěn)定性和高兼容集成度的微型儲(chǔ)能器件。微型超級(jí)電容器由于超高的功率密度、快速的充放電速率和長(zhǎng)壽命，在微電子領(lǐng)域有著重要的發(fā)展?jié)摿?。然而，微型超?jí)電容器仍存在能量密度較低和電位窗口較窄等問題。雜化金屬離子微型超級(jí)電容器同時(shí)結(jié)合了電池型負(fù)極和超級(jí)電容型正極的優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高能量密度和高功率密度。在眾多金屬離子中，鉀資源豐富且鉀的還原電位低（-2.93 V vs.SHE）。此外，鉀離子在非水電解質(zhì)中具有較弱的溶劑化效應(yīng)和較小的斯托克斯半徑，有助于提高鉀離子轉(zhuǎn)移數(shù)和離子導(dǎo)電性。但是，鉀離子微型超級(jí)電容器的關(guān)鍵材料與器件合理設(shè)計(jì)仍然存在挑戰(zhàn)。
大連化物所研制出高電壓鉀離子微型超級(jí)電容器及其壓力傳感微系統(tǒng)
本工作中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了同時(shí)氧化和堿化MXene（Ti3C2）策略，制備出新型鈦酸鉀納米棒材料，具有較大的長(zhǎng)徑比和離子擴(kuò)散系數(shù)，以及較高的儲(chǔ)鉀比容量（145mAh/g）。該工作以鈦酸鉀為負(fù)極，活化石墨烯為正極，結(jié)合高電壓的離子液體凝膠電解液，構(gòu)建出新型鉀離子微型超級(jí)電容器，具有3.8V的高電壓窗口，優(yōu)于先前報(bào)道的微型超級(jí)電容器。由于贗電容占主要貢獻(xiàn)且充放電過程中電極體積變化小，該鉀離子微型超級(jí)電容器具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能，同時(shí)體積能量密度達(dá)到34.1mWh/cm3。此外，該鉀離子微型超級(jí)電容器在同一柔性基底上與壓力傳感器兼容集成可以靈敏地監(jiān)測(cè)身體運(yùn)動(dòng)。該工作不僅為高性能微型超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)提供了新的思路，還為微型超級(jí)電容器供電柔性電子器件提供了一個(gè)范例。
相關(guān)研究成果以題為“High-Voltage Potassium Ion Micro-Supercapacitors with Extraordinary Volumetric Energy Density for Wearable Pressure Sensor System”發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）上。該工作的第一作者是大連化物所二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組副研究員鄭雙好和博士研究生馬佳鑫。上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、遼寧省中央引導(dǎo)地方專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。
