近日，國際知名期刊《自然 通訊》刊發了碳奈米管結構設計在電化學儲能領域的最新研究成果 “Maximizing ion accessibility in MXene-knotted carbon nanotube composite electrodes for high-rate electrochemical energy storage”。華中科技大學材料科學與工程學院、材料成形與模具技術國家重點實驗室徐鳴教授和美國德雷塞爾大學Yury Gogotsi教授為共同通訊作者。材料科學與工程學院、材料成形與模具技術國家重點實驗室為第一完成單位及第一通訊單位。該研究得到國家自然科學基金(51572095、51972127)、湖北省傑出青年基金(2018CFA049)、武漢市應用基礎前沿專項(2018010401011282)、華中科技大學留學基金等多個基金的資助。

航空航天、極地等極端應用環境要求電化學儲能器件可低溫下高倍率執行。低溫執行須使用有機電解液；有機電解液相比水系電解液具有更大的離子和更低的電導率，且有機電解液中離子的溶劑化殼層也比水電解液中的大。這些特性阻礙了儲能過程中的電荷儲存，降低了電極材料中的離子傳輸動力，限制了器件的高倍率效能，對實現低溫電化學儲能造成了巨大的障礙。

針對上述問題，研究者們透過碳奈米粗細管分步生長技術，製備了一種新型的繩結結構碳奈米管；其與二維Mxene複合時可抑制MXene的堆疊，最終制得具有三維開放式導電網路的電極結構。該電極結構最大程度地提高了電極中離子的傳輸能力，重新整理了同類電極在離子液體有機體系中的倍率效能紀錄，並實現了低溫下（-60℃）的穩定執行。研究揭示了電極結構最佳化對離子傳輸能力的提升的重要性，提供了除低溫電解液開發外實現低溫儲能器件執行的又一途徑。該成果是將奈米碳材料結構設計理念拓展至能源材料製造領域的又一成功案例，對於未來低溫高倍率電化學儲能材料的發展具有重要的指導意義。

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https://www.nature.com/articles/s41467-020-19992-3