一种用于锌离子柔性超级电容器的MXene/VS4复合柔性电极及其制备方法

本发明属于电化学储能柔性电极领域，具体涉及了一种可用于锌离子柔性超级电容器的mxene/vs4复合柔性电极。

背景技术：

1、折叠屏智能手机、智能手表、电子皮肤和医用贴片检测装置等的出现表明未来电子设备的发展趋势是小型化、柔性化和可穿戴化。然而，传统的超级电容器很难同时满足柔性电子设备对体积小、高性能和高柔性的要求，因此柔性超级电容器逐渐引起人们的重视。为了实现高柔性和高电化学性能以及长寿命的柔性电极，研究人员需要在电极材料的选择和构建上付出更多努力。mxene作为一种新兴的二维材料，具有高比表面积、高电导率和高机械强度等优点。mxene的亲水表面和高度可调的表面基团使它更易与其他材料形成复合材料，对提升柔性超级电容器的电化学性能有很大帮助。此外，mxene还表现出生物相容性，可以长期接触人体而不会产生刺激性或致畸性反应，适合用于可穿戴电子设备上。尽管mxene在柔性超级电容器领域获得广泛应用，其层间的弱范德华力往往导致自发堆叠，从而减少其在电解质中的反应面积，缩小了电解质离子储存和运输的离子通道。因此，在微型超级电容器中，mxene通常不能充分地表现出其优异的性能。

2、为了解决mxene堆叠效应的负面影响，一种可行的方法是使用合适的材料作为间隔物填充mxene片层之间，形成复合材料来缓解堆叠。由于mxene具有亲水表面，因此可以轻松地形成均匀分散的水溶液。通过在mxene水溶液中加入合适的间隔物材料，并通过超声震动、搅拌等方式进行均匀混合，可以方便地在mxene片层间引入间隔物。然而，过去使用的一些材料，如碳纳米管和导电聚合物，其比电容较低，即使作为间隔物也会导致整个电极的比电容降低。相比之下，四硫化钒(vs4)是一种钒系过渡金属硫化物，广泛应用于电化学储能领域。与vs2、v2s3、v5s8等硫钒化物相比，准层状vs4具有较宽的层间距远远大于锌离子(zn2+)以及水合锌离子([zn(h2o)6]2+)的半径更有利于充放电过程中zn2+的快速传输。此外由于钒的可变氧化态以及其较高的硫含量而具有硫钒化物中最高的理论容量(1196mah g-1)。这些优点为其在电化学储能领域中的应用提供了很大的优势。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可用于锌离子柔性超级电容器的mxene/vs4复合电极，这种新型复合电极可以有效解决锌离子柔性超级电容器中mxene柔性复合材料易堆叠和比容量差的问题。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种用于锌离子柔性超级电容器的mxene/vs4复合柔性电极，该电极为薄膜电极，材料为mxene与vs4的质量比为4：2的混合物，vs4为纳米片结构，mxene为层状结构，mxene为一层或多层，mxene为一层时vs4纳米片附着于mxene表面，mxene为多层时vs4纳米片作为间隔剂填充于mxene的各层之间。

4、一种用于锌离子柔性超级电容器的mxene/vs4复合柔电极的制备方法，包括以下步骤：

5、步骤1：将氟化锂(lif)加入盐酸(hcl)并搅拌形成混合溶液，随后分数次将碳钛化铝(ti3alc2)max相缓慢加入上述混合溶液中，恒温搅拌直至反应完全，随后离心洗涤、冰水浴通惰性气体超声以得到分层的碳化钛(ti3c2)mxene溶液；

6、步骤2：将硫代乙酰胺(c2h5ns)与偏钒酸铵(nh4vo3)溶于n-甲基吡咯烷酮(nmp)溶液中，持续磁力搅拌直到充分混合；随后将混合溶液转移至反应釜，在烘箱中高温反应；收集黑色沉淀产物，离心洗涤并干燥得到四硫化钒(vs4)纳米片；

7、步骤3：将得到的vs4纳米片研磨以使颗粒细化，增大样品的相对表面积并加速化学反应；随后按质量取步骤1中的ti3c2 mxene溶液加去离子水进行稀释；称取研磨后的vs4纳米片加入到分层的ti3c2 mxene溶液中，mxene与vs4的质量比控制4：2，持续超声搅拌处理直至混合充分，得到mxene/vs4复合材料溶液；

8、步骤4：将上述的mxene/vs4复合材料通过真空抽滤的方式在尼龙滤膜上形成自支撑的mxene/vs4复合薄膜，随后把得到的mxene/vs4复合膜裁剪成合适大小，烘干后即得到mxene/vs4复合电极。

9、作为本发明的优选技术方案，步骤1中选择使用目数为300目或400目的ti3alc2max相，控制恒温搅拌的温度为30～40℃，最后采用氩气气体通入洗气瓶来分离mxene纳米片。

10、作为本发明的优选技术方案，步骤2中控制反应温度为160～180℃，反应时间为16～24h。

11、作为本发明的优选技术方案，步骤3中超声时间控制为15～30min。

12、作为本发明的优选技术方案，步骤4中干燥温度为40～60℃，干燥时间为2～4h。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

14、一种可用于锌离子柔性超级电容器的mxene/vs4复合电极及其制备方法，引入vs4纳米片作为mxene的层间间隔剂，不仅可以有效解决mxene的堆叠问题，有利于提升微型超级电容器的速率性能，还可以利用vs4的高能量密度，强化氧化还原反应储能能力，使比容量进一步提升。最后，选择的mxene与vs4形成互相支撑的复合材料，可抑制充、放电循环中mxene或过渡金属化合物的破裂，保证柔性超级电容器拥有较长的循环寿命。

技术特征：

1.一种用于锌离子柔性超级电容器的mxene/vs4复合柔性电极，该电极为薄膜电极，材料为mxene与vs4的质量比为4：2的混合物，vs4为纳米片结构，mxene为层状结构，mxene为一层或多层，mxene为一层时vs4纳米片附着于mxene表面，mxene为多层时vs4纳米片作为间隔剂填充于mxene的各层之间。

2.一种用于锌离子柔性超级电容器的mxene/vs4复合柔性电极的制备方法，包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的一种用于锌离子柔性超级电容器的mxene/vs4复合柔性电极的制备方法，其特征在于，所述步骤1中选择使用目数为300目或400目的ti3alc2 max相，控制恒温搅拌的温度为30～40℃，最后采用氩气气体通入洗气瓶来分离mxene纳米片。

4.如权利要求2所述的一种用于锌离子柔性超级电容器的mxene/vs4复合柔性电极的制备方法，其特征在于，所述步骤2中控制反应温度为160～180℃，反应时间为16～24h。

5.如权利要求2所述的一种用于锌离子柔性超级电容器的mxene/vs4复合柔性电极的制备方法，其特征在于，所述步骤3中超声时间控制为15～30min。

6.如权利要求2所述的一种用于锌离子柔性超级电容器的mxene/vs4复合柔性电极的制备方法，其特征在于，所述步骤4中干燥温度为40～60℃，干燥时间为2～4h。

技术总结
本发明公开了一种用于锌离子柔性超级电容器的MXene/VS<subgt;4</subgt;复合柔性电极及其制备方法，属于超级电容器领域。该电极应用于锌离子柔性超级电容器，其组分由单层或少层的MXene与纳米片结构的VS<subgt;4</subgt;构成，通过一种简便的真空抽滤方法将VS<subgt;4</subgt;纳米片作为间隔剂被使用并引入MXene的片层之间以缓解MXene的堆叠，进而起到改善电极的电化学性能的作用。该复合电极提升了锌离子柔性超级电容器中用间隔剂改善的MXene电极的电化学性能。

技术研发人员：姜晶,陈星,牛夷,何欣芮,王超
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13