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Biaxial Stretching Array Based on High-Energy-Efficient MXene-Based Al-Ion Micro-supercapacitor Island and Editable Stretchable Bridge
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2022-12-08 , DOI: 10.1021/acsami.2c17238 Yudong Wu 1 , Mingzai Wu 2 , Derek Ho 3 , Haibo Hu 1, 4
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2022-12-08 , DOI: 10.1021/acsami.2c17238 Yudong Wu 1 , Mingzai Wu 2 , Derek Ho 3 , Haibo Hu 1, 4
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Employment of multivalent charge carriers with higher charge density to replace frequently used univalent ones can effectively increase the areal capacitance of micro-supercapacitors utilizing few-layered MXene self-assembled electrodes. However, their larger charge density and ionic size usually lead to a sluggish extraction/insertion dynamic between MXene interlayers with limited free space, greatly offsetting the benefits. Herein, we show how to facilitate de-/intercalation of high-valence charge carriers (Al3+) by using polypyrrole-coated bacterial cellulose (BC@PPy) nanospacers to expand MXene interlayer space. Together with the longitudinal electron transport path between interlayers synchronously constructed by the conductive PPy shell, a significant 496% areal capacitance enhancement (232.79 mF cm–2) is realized in the fabricated symmetric Al3+-ion micro-supercapacitors (AMSCs) with the obtained MXene/BC@PPy hybrid film electrodes employing polyacrylamide/1 M AlCl3·6H2O hydrogel electrolyte relative to the cell with pure MXene film electrodes (39.02 mF cm–2). Further benefiting from a high output voltage of 1.2 V, the AMSCs acquire an areal energy density up to 45.3 μW h cm–2. As a device demonstration, we further fabricate a biaxially stretchable AMSC array, simulate its spatial strain distribution during biaxial stretching, and characterize its electrochemical and mechanical properties up to an extreme areal strain of 300%. The proposed rational fabrication paradigm achieves a new level of combined energy density, stretch performance, and architectural simplicity, which presents a route toward a commercially viable stretchable micro energy-storage system with high energy efficiencies.
中文翻译:
基于高能效 MXene 基铝离子微型超级电容器岛和可编辑伸缩桥的双轴拉伸阵列
使用具有更高电荷密度的多价电荷载流子来代替常用的单价电荷载流子,可以有效地增加利用少层 MXene 自组装电极的微型超级电容器的面积电容。然而,它们较大的电荷密度和离子尺寸通常会导致自由空间有限的 MXene 夹层之间的提取/插入动态缓慢,从而大大抵消了这些优势。在此,我们展示了如何通过使用聚吡咯涂层细菌纤维素 (BC@PPy) 纳米间隔物扩展 MXene 层间空间来促进高价载流子 (Al 3+ ) 的脱嵌。加上由导电PPy壳同步构建的层间间的纵向电子传输路径,显着提高了496%的面积电容(232.79 mF cm–2 ) 在制造的对称 Al 3+离子微型超级电容器 (AMSC) 中实现,所获得的 MXene/BC@PPy 混合膜电极采用聚丙烯酰胺/1 M AlCl 3 ·6H 2 O 水凝胶电解质,相对于纯电池MXene 薄膜电极 (39.02 mF cm –2 )。进一步受益于 1.2 V 的高输出电压,AMSC 获得高达 45.3 μW h cm –2的面能量密度. 作为器件演示,我们进一步制造了一个双轴可拉伸 AMSC 阵列,模拟其在双轴拉伸过程中的空间应变分布,并表征其电化学和机械性能,直至 300% 的极端面应变。所提出的合理制造范例将能量密度、拉伸性能和结构简单性的组合提高到了一个新的水平,这为实现具有高能效的商业上可行的可拉伸微型储能系统提供了一条途径。
更新日期:2022-12-08
中文翻译:
基于高能效 MXene 基铝离子微型超级电容器岛和可编辑伸缩桥的双轴拉伸阵列
使用具有更高电荷密度的多价电荷载流子来代替常用的单价电荷载流子,可以有效地增加利用少层 MXene 自组装电极的微型超级电容器的面积电容。然而,它们较大的电荷密度和离子尺寸通常会导致自由空间有限的 MXene 夹层之间的提取/插入动态缓慢,从而大大抵消了这些优势。在此,我们展示了如何通过使用聚吡咯涂层细菌纤维素 (BC@PPy) 纳米间隔物扩展 MXene 层间空间来促进高价载流子 (Al 3+ ) 的脱嵌。加上由导电PPy壳同步构建的层间间的纵向电子传输路径,显着提高了496%的面积电容(232.79 mF cm–2 ) 在制造的对称 Al 3+离子微型超级电容器 (AMSC) 中实现,所获得的 MXene/BC@PPy 混合膜电极采用聚丙烯酰胺/1 M AlCl 3 ·6H 2 O 水凝胶电解质,相对于纯电池MXene 薄膜电极 (39.02 mF cm –2 )。进一步受益于 1.2 V 的高输出电压,AMSC 获得高达 45.3 μW h cm –2的面能量密度. 作为器件演示,我们进一步制造了一个双轴可拉伸 AMSC 阵列,模拟其在双轴拉伸过程中的空间应变分布,并表征其电化学和机械性能,直至 300% 的极端面应变。所提出的合理制造范例将能量密度、拉伸性能和结构简单性的组合提高到了一个新的水平,这为实现具有高能效的商业上可行的可拉伸微型储能系统提供了一条途径。