随着冬天的来临，人们常用的手机、电动车、新能源汽车等又暴露出了电池在低温下工作的局限性。在电容性电化学能量存储装置中，电荷存储来自于电解质离子在电极表面或活性位点上的吸附，只有在可被离子接近的电极区域才有助于电荷的存储。因此，提高电化学储能装置电极中离子的可及性对电荷存储和倍率性能至关重要。尤其是当设备在低温下运行时，离子在有机电解液中的迁移动力学比较缓慢，限制了其高倍率性能。因此，在基于有机电解质的储能设备中，提高离子的可及性具有非常重要的意义。
华中科技大学徐鸣教授和美国雷克塞尔大学Yury Gogotsi等人报道了一种新型的MXene/碳纳米管（CNT）复合电极，该电极可最大程度地提高离子的可及性，从而在低温下具有出色的性能。作者通过使用特殊设计的打结CNT打破MXene（Ti3C2）二维层的水平排列，从而在低温下改善离子传输。打结CNT的结状结构可防止Ti3C2薄片的堆积，并产生快速的离子传输路径。该复合电极在有机电解质中可实现高电容（高达130 F /g），并在10 mV/s至10 V/s的宽扫描速率范围内具有高电容保持率。这也是MXene基超级电容器首次实现在低温（低至-60°C）下使用的相关报道。该研究以题为“Maximizing ion accessibility in MXene-knotted carbon nanotube composite electrodes for high-rate electrochemical energy storage”的论文发表在《Nature Communications》上。作者通过具有两种不同尺寸的纳米颗粒催化剂，合成了一种特殊的结状结构的CNT（图1a）。然后将Ti3C2悬浮液与打结CNT溶液混合，使用真空辅助过滤法自组装得到MXene/打结CNT复合电极。打结CNT的大结状结构能够在保持电极膜结构完整性的同时，防止在电极制造过程中MXene薄片的重新堆叠（图1b）。SEM图像可以看到打结CNT破坏了MXene薄片的平行排列（图2c，d）。该电极结构提供了更大的开放空间，显着降低了离子传输路径的曲折度，增强了离子的可及性，从而确保了有效的离子传输。图3a，b显示了纯MXene和MXene/打结CNT复合电极的速率性能。结果表明，纯Ti3C2电极在10 mV/s时的比电容为50 F/g，从10 mV/s到10 V/s的电容保持率仅为20％，而含17％CNT的复合电极具有明显改善的比电容和倍率性能，在10 mV/s时约为130 F/g，并且在10 V/s时约为73 F/g，约为初始电容的56％，超过了大多数已报道的在有机电解质中的MXene基电极的最大值。显然，该电极结构对降低离子传输的曲折性和增加离子的可及性具有显著作用。作者在100 mV/s下测试了电极的长期循环稳定性，结果表明该复合电极是高度稳定的，在10000次循环后几乎没有观察到电容衰减（图3f），库仑效率始终接近100％。打结CNT能够通过防止MXene薄片在充电/放电时的重新堆叠来保持电极膜的结构完整性，从而保证了长期循环过程中有效的离子传输。提升低温下的电化学能量存储具有挑战性，这是因为电解质的流动性和离子的迁移降低。作者将复合电极作为负电极，CNT电极作为正电极来评估全电池装置的性能（图4a）。图4d显示了在20 mV/s下从20到-60 ℃电池的CV曲线。该电池能获得的最高电压为4.2 V，在-30℃下的库仑效率为97％，明显大于以前报道的MXene基超级电容器系统。当温度从20降低到-60 ℃时，电池的电容能保持在55％（图4f）。结果表明，电极的结构和离子电导率是开发能够在低温下运行的电容性能量存储系统的关键因素。总结：作者得到的复合电极在有机电解质中10 mV/s至10 V/s的扫描速率范围内显示出约56％的高电容保持率。打结CNT中的结状结构能破坏Ti3C2薄片的平行排列，从而导致了曲折度较低和离子可及性增强的离子传输路径。该电极提升了MXene基超级电容器的低温性能，当工作温度从20降低到-60 ℃时，其电容保持率高达〜55％。该研究为在低温下工作的储能设备提供了新的思路。https://www.nature.com/articles/s41467-020-19992-3
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