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    華東師大徐敏教授團隊與潘麗坤教授團隊合作:摻雜氧化還原活性物的天然高分子水凝膠電解質鋅離子雜化超級電容器,助力高能柔性儲能設備
    2020-07-23  來源:高分子科技

      近年來隨著柔性可穿戴電子器件的快速崛起,開發配套的柔性儲能設備成為了研究熱點。其中以離子型導電水凝膠為電解質的柔性可拉伸/可壓縮超級電容器備受關注。相對于存在安全隱患和生物毒性的有機溶劑凝膠電解質超級電容器,綠色安全的水凝膠電解質超級電容器更具發展前景,尤其是以可降解生物質高分子導電水凝膠為電解質的柔性超級電容器更是成為了研究者們關注的焦點。但受到水分解電壓的限制(1.23 V),水凝膠電解質超級電容器的工作電壓窗口受限,嚴重影響了水凝膠電解質超級電容器的能量密度提升,制約了其在柔性儲能設備領域的發展。因此,如何拓展水凝膠電解質工作電壓窗口范圍,提升能量密度成為了發展柔性生物質水凝膠電解質儲能設備的關鍵。


      基于前期在高能量密度水系和凝膠基鋅離子雜化超級電容器領域所取得研究成果(J. Mater. Chem. A, 2019,7, 24400-24407,Chem. Eng. J. 2020, 392, 123733),華東師范大學徐敏教授、黃海龍博士團隊與潘麗坤教授團隊合作以天然高分子海藻酸鈉為主體,引入功能單體丙烯酸、丙烯酰胺和無機鹽(硫酸鋅-電解質/溴化鋅-活性物質),設計制備了一種兩性鋅離子天然高分子水凝膠電解質(圖1)。將其應用于鋅離子雜化超級電容器,不僅表現出了優異的力學性能和電化學性能,同時借助氧化還原活性物(Br1-/Br31-)在高電位下提供的額外貢獻,鋅離子雜化超級電容器的工作電壓(0-2.6 V)和能量密度(在605 W kg-1的功率密度下,能量密度達到1848 Wh kg-1)都得到了顯著的提升。此外,得益于凝膠中官能團與鋅離子間的相互作用,有效的抑制了鋅離子在負極表面的枝晶問題。這種具有寬工作電壓窗口和高能量密度的水凝膠電解質,在柔性可穿戴儲能設備領域具有廣闊的應用前景。


    圖1 凝膠電解質結構和凝膠基柔性鋅離子雜化電容器的原理圖


      通過天然高分子水凝膠中高分子鏈上帶有相反電性的官能團形成的離子遷移通道,有效的促進了凝膠中金屬離子的遷移,使得水凝膠電解質具備優異的導電性。兩性官能團型結構與水分子形成的牢籠效應成功束縛了凝膠中水分子的運動,顯著拓展了鋅離子水凝膠電解質超級電容器工作電壓范圍,其工作電壓窗口范圍達到0-2.6V。同時,利用引入的氧化還原活性物(Br1-/Br31-)在電極表面發生可逆的氧化還原反應,進一步提升了超級電容器的能量密度值,在605 W kg-1的功率密度下,能量密度可達到1848 Wh kg-1,并且表現出優異的循環穩定性(5000圈),如圖2所示。此外,借助水凝膠中官能團與鋅離子間的相互作用,鋅離子能夠在鋅箔電極表面形成均勻的層狀沉積,有效的緩解鋅箔電極表面的枝晶問題,提升超級電容器的循環穩定性(圖3)。


    圖2(a-f)凝膠基柔性鋅離子電容器的電化學測試,(g)拉貢圖,(h)長循環測試和(i)長時間驅動紅色LED燈珠實拍照片。


    圖3 經過充放電循環后鋅箔電極表面形貌圖。(a-c)硫酸鋅水系超級電容器鋅箔電極形貌圖,(d-f)兩性鋅離子天然高分子水凝膠電解質超級電容器鋅箔電極形貌圖。


      借助兩性離子型水凝膠中的動態相互作用,鋅離子水凝膠電解質具有優異的力學性能(在 0.21 MPa下拉伸倍率為2400 %),這使得鋅離子水凝膠電解質雜化超級電容器展現了良好的柔韌性和電化學穩定性,在不同程度的彎曲、壓縮狀態下仍然能夠保持高效穩定的能量供給。為了驗證天然高分子水凝膠電解質超級電容器在柔性儲能領域中的應用,將這種水凝膠電解質超級電容器與電子手表聯用,實現了柔性儲能器件在可穿戴電子設備中的應用,如圖4所示。該研究顯著提升了柔性水凝膠電解質超級電容器的電化學性能,有利于進一步發展具有高儲能效率的柔性儲能設備。


    圖4(a-c)器件柔性彎曲測試以及彎曲實際應用


      該研究成果以“Novel redox bromide-ion additive hydrogel electrolyte for flexible

    Zn-ion hybrid supercapacitors with boosted energy density and controllable zinc deposition”為題,發表于《Journal of Materials Chemistry A》(DOI: 10.1039/D0TA03547E)。博士生韓盧為第一作者,徐敏教授黃海龍博士潘麗坤教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金(No. 21875068)的支持。


      原文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/TA/D0TA03547E#!divAbstract

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