Unraveling the Ion-Accumulation-Induced Potential Limitations of MXene-Based Supercapacitors

超级电容器 离子 纳米技术 材料科学 化学 生化工程 电化学 工程类 电极 有机化学 物理化学
作者
Yanting Xie,Haitao Zhang,Yuanxiao Qu,Xinglin Jiang,Junfeng Huang,Xiong Zhang,Yuyu Gao,Liang Tang,Qiang Lv,Xingxing Jiao,Weiqing Yang,Zhengyou He
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:: 345-355
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.4c03296
摘要

MXenes are rising star materials for electrochemical energy storage, but their low potential window severely constrains their high-energy-density potential. When subjected to a high potential window, MXenes undergo an irreversible oxidative failure. However, the mechanisms behind this failure are not well understood. Here, we disclose a previously unreported ion-accumulation mechanism that limits the high operating potential of MXenes. Under excessive polarization at high potential, the representative MXene, Ti3C2Tx, shows oxidation behavior but a reversible electrochemical response. Spectroscopic analyses and electrochemical kinetic field simulations disclose the conformational state variation, ion flux distribution, and vertical displacement behavior of MXene electrodes, confirming that electrolyte ions predominantly accumulate at the edges of overly thick stacked MXenes, with only a limited number shuttling freely into the interior. To address this potential-limiting ion-accumulation mechanism, we develop a transferring–engraving method to build free ion-shuttling ultrathin MXenes that guarantees a 100% increase in the potential window and a high volumetric energy density of 45.7 mWh cm–3.
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