材料科学：体積静電容量の高い導電性二次元炭化チタン「粘土」

安全で強力なエネルギー貯蔵デバイスの重要性がますます高まっている。原理的には、数秒から数分の充電時間と電池を超える電力密度が、電気化学キャパシター、特に擬似キャパシターによって得られる可能性がある。最近の研究は、主にそうしたシステムの電極の重量当たりの性能の向上に重点を置いてきた。しかし、携帯式電子機器や自動車では、体積が極めて重要である。炭素系電極の体積静電容量の最大値は、約300 F cm⁻³である。水和酸化ルテニウムは体積静電容量が1000～1500 F cm⁻³に達し、サイクル特性が非常に優れているが、これは薄膜に限られている。最近、濃フッ化水素酸中で炭化アルミニウムチタン（Ti₃AlC₂、「MAX」相）からアルミニウムをエッチングして作製した二次元炭化チタン（Ti₃C₂、「MXene」の1種）でできた電極の体積静電容量が、300 F cm⁻³を超えることが示された。今回我々は、フッ化リチウムと塩酸の溶液を用いてこの材料を作製する方法について報告する。得られた親水性材料は水和すると膨潤し、粘土のように成形できる。これを乾燥させると伝導性の高い固体を作製でき、ローラーで延ばすと厚さ数十マイクロメートルの膜を作製できる。この炭化チタン「粘土」の無添加膜は、最大で900 F cm⁻³の体積静電容量とともに、優れたサイクル特性と速度性能を示す。この静電容量は、以前我々が報告した静電容量のほぼ2倍である。また、我々の合成方法によって、有害な濃フッ化水素酸の取り扱いを回避できるばかりでなく、はるかに迅速に膜を作製する手段が得られる。

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