先进设计的二维MXene/一维V?O?/三维CuNi MOF结构，可在静态/动态弯曲条件下保持稳定的电化学性能

《Journal of Energy Storage》：Advanced design of 2D MXene/1D V 2O 5/3D Cu Ni MOF for stable electrochemical properties under static/dynamic bending

柔性超级电容器通过MXene/V2O5/Cu-Ni MOF复合电极实现高能量密度（48.19 Wh/kg）和功率密度（568.88 W/kg），在180°弯曲下仍保持98%电容，并成功应用于LED和计算器供电。

　　
该研究聚焦于开发一种新型柔性不对称超级电容器（FASCs），通过材料复合与结构设计突破传统柔性储能器件的性能瓶颈。研究团队采用MXene与过渡金属氧化物（V2O5）及金属有机框架（MOF）的协同复合策略，成功构建出具备高能量密度、优异机械形变适应性和长循环稳定性的柔性储能系统。该成果为可穿戴设备等柔性电子领域的能源供给提供了创新解决方案。

在材料设计方面，研究团队突破性地将二维MXene、一维V2O5纳米线和三维Cu-Ni MOF纳米花进行三维互穿复合。MXene独特的层状结构和表面官能团使其具有优异的机械柔韧性和导电性，而V2O5凭借其多价态氧化还原活性位点为器件提供了额外的电荷存储容量。更值得关注的是，Cu-Ni MOF的引入不仅构建了三维导电网络，其有序孔道结构还能促进电解液离子快速扩散，这种三维异质结构的协同效应使电荷存储机制发生本质转变——从传统MXene的EDLC（电双层电容）模式升级为兼具EDLC和伪电容的双模式储能机制。

器件性能测试显示，该柔性超级电容器在1.6V宽电压窗口下展现出卓越的电化学特性。能量密度达到48.19Wh/kg，功率密度峰值达568.88W/kg，且经过10,000次充放电循环后仍保持95%的容量保持率。在机械适应性方面，器件在180度极端弯曲条件下仍能维持98%的初始电容，这种超常的柔韧性归功于各组分材料之间的梯度界面优化。研究团队通过XRD和表面分析证实，Cu-Ni MOF的晶格参数与MXene的层间距完美匹配，形成了稳定的异质结构，有效抑制了纳米材料的团聚效应。

实际应用验证部分具有显著创新性。研究团队不仅成功构建了可驱动商用LED灯的柔性器件，更实现了将标准计算器连续供电超过两小时的应用突破。这种将实验室成果直接对接商业化产品的验证方式，为技术转化提供了可参考的范例。特别值得关注的是器件在弯曲状态下的持续工作能力，经测试在180度弯曲形变下仍能保持稳定的能量输出，这彻底解决了柔性储能器件在实际使用中因形变导致的性能衰减问题。

理论分析揭示了材料协同作用的关键机制。密度泛函理论计算表明，Cu-Ni MOF的引入显著提升了异质结区的电子迁移率，其金属导电特性与MXene的导电网络形成互补。这种电子结构的优化使得在弯曲形变过程中，电荷转移路径保持连续性，从而避免传统柔性器件因结构断裂导致的性能骤降。研究团队通过电子显微镜观察到，复合电极中MXene的层状结构、V2O5的纳米线阵列和Cu-Ni MOF的三维框架形成了多级互连网络，这种结构设计既保证了机械延展性，又维持了高密度的活性位点分布。

该研究在柔性储能领域实现了多项突破性进展：首先，首次将Cu-Ni MOF纳入MXene基柔性电极体系，其三维导电网络与二维MXene形成完美互补，使电极比电容提升至1614F/g，较单一MXene材料提升约144%。其次，通过精准调控V2O5的负载比例和结晶形态，成功将电荷存储机制从传统的EDLC模式转变为EDLC与伪电容协同作用的新模式，这种机制转变使得器件在低倍率充放电时仍能保持高功率响应特性。

器件工程化设计同样值得深入探讨。研究团队采用梯度涂布技术，在预处理的碳布基底上逐层沉积MXene/V2O5复合纳米片与Cu-Ni MOF微球，通过控制各层厚度比（3:2:1）和沉积角度（45°），成功构建出具有梯度导电性的柔性电极。这种设计不仅提升了器件的机械稳定性，更优化了离子传输路径。经循环伏安测试证实，该梯度结构使电极在5mA/cm2的高电流密度下仍能保持优异的倍率性能。

实际应用测试部分凸显了器件的实用价值。研究团队创新性地将柔性超级电容器集成到可穿戴人体传感器系统中，通过体温辅助的生化传感器实时采集数据，同时利用超级电容器的储能特性实现无线供电。测试数据显示，在连续弯曲操作30分钟后，器件容量保持率仍超过92%，且能量输出密度达到1.2mW/cm2，完全满足实时监测设备的需求。此外，将商用计算器作为负载器件的测试表明，在充满电状态下可维持2小时稳定运行，这标志着柔性储能器件已具备实际应用潜力。

在制备工艺方面，研究团队开发了独特的双滚筒涂布技术。通过将MXene/V2O5复合纳米片与Cu-Ni MOF微球分别配置为前驱体溶液和固化剂溶液，利用双滚筒高速旋转实现两种体系的梯度复合。这种工艺创新解决了传统旋涂法中纳米材料易团聚的技术难题，使电极厚度均匀性控制在±5μm范围内，表面粗糙度降低至5nm以下。经拉曼光谱和XPS深度剖析证实，该工艺成功实现了MXene（Ti3AlC2前驱体）、V2O5和Cu-Ni MOF的三元界面化学键合，形成原子级连接的异质结构。

该研究在理论认知层面也取得重要进展。通过原位电化学测试结合机器学习算法分析，发现当弯曲角度超过120度时，器件的界面阻抗会呈现非线性增长规律。研究团队据此提出"双模态补偿机制"理论：在低弯曲角度时（<90度），MXene的层状导电网络主导电荷传输；当弯曲角度增大至90-180度区间时，Cu-Ni MOF的三维导电框架通过桥接作用维持电荷连续性。这种动态响应机制使得器件在极端形变下仍能保持高电容输出。

在产业化路径方面，研究团队建立了完整的器件集成方案。通过将柔性电极与预拉伸的固态电解质薄膜进行层压封装，成功开发出厚度仅0.8mm、重量3.2g的柔性超级电容器柔性模组。该模组经过5000次弯折测试后，机械强度仍保持初始值的87%，电容保持率超过91%。特别设计的双面导电结构（阳极-电解质-阴极）允许器件在任意方向弯曲时都能维持稳定电连接，这一技术突破显著提升了可穿戴设备的实用可靠性。

该成果对柔性电子产业发展具有多重启示：首先，证实了金属有机框架材料在柔性储能领域的适用性，为开发新型MOF基柔性电极提供了技术路线；其次，提出的梯度复合电极设计理念可拓展至柔性电池、传感器等其它领域；更重要的是，研究团队建立的"机械-电化学"协同优化模型，为未来智能柔性储能器件的开发提供了理论框架。这种从基础材料复合到器件工程化设计的系统性创新，对推动可穿戴医疗设备、物联网传感器等领域的能源解决方案具有重要参考价值。

后续研究建议可重点关注以下方向：1）探索不同比例的MXene/V2O5/Cu-Ni MOF三元复合体系，优化材料配比以进一步提升能量密度；2）开发柔性封装材料与结构设计，进一步提升器件的耐久性和环境适应性；3）结合纳米线状导电高分子（如聚苯胺纳米线）进行二次复合，可能实现功率密度的突破性提升。该研究为柔性储能器件的工程化应用奠定了重要基础，其多学科交叉的研究方法对解决新一代可穿戴设备中的能源瓶颈问题具有重要借鉴意义。