Interfacial Hydrogen Bond Engineering: Enabling Rapid 3D Assembly of MXene Thick Electrodes with High Mass Loading and Fast Charge Transport

材料科学 微电子 阳极 电极 大规模运输 电荷(物理) 碳纳米管 导电体 光电子学 纳米技术 碳纤维 MXenes公司 储能 复合材料 工作(物理) 高质量 异质结 复合数 析氧 可扩展性 平面的 多尺度建模 纳米管 高能 纳米尺度 阴极
作者
Zhiqian Cao,Yudong Wu,Lichen Jin,Xiang Li,Demeng Qian,Haibo Hu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
被引量:1
标识
DOI:10.1002/adfm.202526006
摘要

Abstract Micro‐supercapacitors (MSCs) hold great promise for powering next‐generation microelectronics. However, their practical deployment remains severely hindered by low areal energy densities (≤100 µWh cm − 2 ) under constrained footprints (<1 cm 2 )—primarily due to the challenges in constructing 3D thick electrodes with high mass loading and efficient charge transport. Herein, a scalable and cost‐effective strategy is presented for fabricating MXene‐based 3D thick electrodes (>2400 µm) by intensifying interfacial hydrogen‐bond interactions between oxygen plasma‐activated carbon felt and Ti 3 C 2 T x MXene nanosheets. This interfacial engineering approach drives the rapid and robust self‐assembly of MXene flakes into a hierarchically porous, low‐tortuosity architecture while transforming the carbon felt into a multifunctional 3D conductive framework—simultaneously enhancing structural integrity, charge carrier mobility, and post‐fabrication processability. The resulting ultra‐thick electrodes abandon inactive binder/additives and fully exploit the vertical space, maximizing active material utilization. When paired with MnO 2 nanowires/carbon nanotube hybrid cathodes, MSCs with the demonstrated MXene‐based thick anodes achieve a 2.3 V output and a high areal energy density of 818 µWh cm − 2 . This work overcomes the long‐standing trade‐off between electrode thickness and charge transport kinetics in thick electrodes and establishes a versatile framework for architecting high‐energy‐density MSCs, advancing the development of integrated microelectronics for the future.
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