柔性和可穿戴電子產(chǎn)品的出現(xiàn)激發(fā)了大量關(guān)于強(qiáng)大、可靠、低成本、具有優(yōu)異電化學(xué)性能的可穿戴儲(chǔ)能設(shè)備的研究。目前，柔性鋰離子電池(LIB)和超級(jí)電容器(SC)被認(rèn)為是柔性和可穿戴電子設(shè)備中兩種有前途的儲(chǔ)能設(shè)備，但是它們的功率密度和循環(huán)壽命、低能量密度很有限。為了解決這些缺點(diǎn)，利用電容器型電極和電池型電極結(jié)合的混合型電容器(HSC)是最有前景的提高設(shè)備能量密度的方法。鋅離子混合超級(jí)電容器(ZHSC)由于其結(jié)合了鋅離子電池(ZIB)的優(yōu)異性能、高安全性、無毒性和豐富的鋅資源等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有潛力的儲(chǔ)能器件之一。然而，由于使用不安全的水溶液電解質(zhì)的限制，導(dǎo)致鋅枝晶形成明顯，副反應(yīng)，陽極腐蝕，并且在日常使用中無法承受較大的機(jī)械沖擊和損害，包括被撞擊、撕裂、刺穿或折疊。為了解決上述問題，設(shè)計(jì)一種可擴(kuò)展的、薄的、高性能的基于聚丙烯腈(PAN)和聚丙烯酰胺(PAM)的分級(jí)結(jié)構(gòu)凝膠電解質(zhì)，提出了一種具有高電化學(xué)功能的極其安全、靈活的準(zhǔn)固態(tài)ZHSC。
圖1 凝膠電解質(zhì)的制備示意圖及形貌表征
近日，貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院謝海波教授課題組在國際一區(qū)TOP期刊《Chemical Engineering Journal》（影響因子:16.744）發(fā)表重要研究成果“An extremely safe and flexible zinc-ion hybrid supercapacitor based on a scalable, thin and high-performance hierarchical structured gel electrolyte”, (Doi: 10.1016/j.cej.2023.144339), 2020級(jí)碩士研究生覃上東為論文第一作者，通訊作者為謝海波教授，黃俊特聘教授，徐芹芹副教授。該工作設(shè)計(jì)了一種可擴(kuò)展的、薄的、高性能的分級(jí)結(jié)構(gòu)凝膠電解質(zhì)，包括靜電紡聚丙烯腈(PAN)基質(zhì)、聚丙烯酰胺(PAM)和鋅鹽（圖1）。將凝膠電解質(zhì)應(yīng)用于鋅離子電容器中得到了優(yōu)異的電化學(xué)性能、倍率性能以及長循環(huán)性能（圖2）。所制備的凝膠電解質(zhì)能有效抑制鋅枝晶的生長，因此對(duì)稱鋅電池具有穩(wěn)定的長循環(huán)性能（圖3）。得益于精心設(shè)計(jì)的電解質(zhì)獨(dú)特的界面和優(yōu)越的電化學(xué)性能，鋅離子電容器實(shí)現(xiàn)了高能量密度和功率密度(132.5 Wh kg-1和1244.4 W kg-1)，在不同彎折角度下的具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和實(shí)際應(yīng)用潛力（圖4）。準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電容器比傳統(tǒng)的柔性電池具有極高的安全性和高耐磨性，可以在各種極端條件下連續(xù)工作，如錘擊、燃燒、洗滌、切割、彎曲和穿孔（圖5）。
圖2 凝膠電解質(zhì)應(yīng)用于鋅離子電容器中的基本電化學(xué)性能
圖3 凝膠電解質(zhì)抑制鋅枝晶生長性能
圖5 凝膠電解質(zhì)應(yīng)用于鋅離子電容器在極端條件下工作
圖5 凝膠電解質(zhì)應(yīng)用于鋅離子電容器在極端條件下工作