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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)謝毅教授團(tuán)隊(duì)吳長征教授課題組，與化學(xué)物理系劉光明副教授課題組合作，將具有獨(dú)特離子通道的新型兩性凝膠電解質(zhì)用于全固態(tài)超級電容器，獲得了目前石墨烯基全固態(tài)超級電容器的最優(yōu)性能。該兩性凝膠電解質(zhì)有望成為全固態(tài)超級電容器領(lǐng)域中的新型高效電解質(zhì)。此成果5月26日在線發(fā)表在Nature Communications, 7:11782(2016) 上。

面對日益增長的能源需求，全固態(tài)超級電容器作為新型儲能設(shè)備得到了廣泛關(guān)注，而凝膠電解質(zhì)是其中的關(guān)鍵技術(shù)材料。為了實(shí)現(xiàn)全固態(tài)超級電容器快速充放電和高穩(wěn)定性的需求，發(fā)展兼具高離子電導(dǎo)率、優(yōu)良機(jī)械強(qiáng)度和保水性能等諸多優(yōu)勢的新型凝膠電解質(zhì)，是當(dāng)前該領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。其核心和關(guān)鍵在于如何在凝膠電解質(zhì)中構(gòu)建有序離子通道以及理解其內(nèi)在電化學(xué)機(jī)制。

面對這個挑戰(zhàn)，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院吳長征教授課題組基于兩性凝膠電解質(zhì)PPDP (聚([3-(甲基丙烯酰氨基)丙基]二甲基(3-硫代丙基)氫氧化銨內(nèi)鹽)有序兩性基團(tuán)形成獨(dú)特的離子通道，應(yīng)用于高效全固態(tài)超級電容器。同步輻射軟X射線近邊吸收譜證實(shí)了兩性凝膠電解質(zhì)在外加電場的情況下兩性基團(tuán)具有有序性, 能夠形成獨(dú)特的離子通道以有利于凝膠電解質(zhì)中鹽離子的傳輸。同時，每個兩性基團(tuán)可以與8個水分子結(jié)合形成水化層，使電解質(zhì)PPDP具有良好的保水特性。構(gòu)建的石墨烯基全固態(tài)超級電容器，在0.8 A cm^-3的電流密度下，實(shí)現(xiàn)了300.8 F cm^-3的比容量，并且電流密度增大25倍之后，僅有14.9 %的比容量損失，達(dá)到了目前石墨烯基全固態(tài)超級電容器的最優(yōu)值。構(gòu)建有序離子通道為設(shè)計(jì)新型高效能源存儲器件提供了新思路。

圖：兩性凝膠電解質(zhì)在電場下形成離子通道，同時具有良好的保水性能

文章的共同第一作者為化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院博士生彭旭和碩士生劉慧麗。上述研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心以及中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

論文鏈接：

http://www.nature.com/ncomms/2016/160526/ncomms11782/full/ncomms11782.html