Engineering the Interlayer Spacing by Pre‐Intercalation for High Performance Supercapacitor MXene Electrodes in Room Temperature Ionic Liquid

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作者
Kun Liang,Ray A. Matsumoto,Wei Zhao,Naresh C. Osti,И. И. Попов,Bishnu P. Thapaliya,Simon Fleischmann,Sudhajit Misra,Kaitlyn Prenger,Madhusudan Tyagi,Eugene Mamontov,Veronica Augustyn,Raymond R. Unocic,Alexei P. Sokolov,Sheng Dai,Peter T. Cummings,Michael Naguib
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:31 (33) 被引量:128
标识
DOI:10.1002/adfm.202104007
摘要

Abstract MXenes exhibit excellent capacitance at high scan rates in sulfuric acid aqueous electrolytes, but the narrow potential window of aqueous electrolytes limits the energy density. Organic electrolytes and room‐temperature ionic liquids (RTILs) can provide higher potential windows, leading to higher energy density. The large cation size of RTIL hinders its intercalation in‐between the layers of MXene limiting the specific capacitance in comparison to aqueous electrolytes. In this work, different chain lengths alkylammonium (AA) cations are intercalated into Ti 3 C 2 T x , producing variation of MXene interlayer spacings ( d ‐spacing). AA‐cation‐intercalated Ti 3 C 2 T x (AA‐Ti 3 C 2 ), exhibits higher specific capacitances, and cycling stabilities than pristine Ti 3 C 2 T x in 1 m 1‐ethly‐3‐methylimidazolium bis‐(trifluoromethylsulfonyl)‐imide (EMIMTFSI) in acetonitrile and neat EMIMTFSI RTIL electrolytes. Pre‐intercalated MXene with an interlayer spacing of ≈2.2 nm, can deliver a large specific capacitance of 257 F g −1 (1428 mF cm −2 and 492 F cm −3 ) in neat EMIMTFSI electrolyte leading to high energy density. Quasi elastic neutron scattering and electrochemical impedance spectroscopy are used to study the dynamics of confined RTIL in pre‐intercalated MXene. Molecular dynamics simulations suggest significant differences in the structures of RTIL ions and AA cations inside the Ti 3 C 2 T x interlayer, providing insights into the differences in the observed electrochemical behavior.
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