Small:具有粉末自愈性能的天然高分子水凝胶电解质,助力高性能、可循环利用柔性超级电容器

基于前期在功能性高分子水凝胶与凝胶基锌离子杂化超级电容器领域所取得的研究成果,华东师范大学徐敏教授团队与潘丽坤教授团队合作以天然高分子海藻酸钠为主体,以甲基丙烯酸为功能单体,硫酸锌为电解质,设计制备了一种具有粉末自愈性能的离子型天然高分子水凝胶电解质。将其应用于柔性锌离子杂化超级电容器,表现出优异的电化学性能,其组装的锌离子杂化超级电容器的工作电压窗口范围达到0-2.2 V,在164.13 W kg-1的功率密度下,能量密度可达到1283.44 Wh kg-1,较现有的离子型水凝胶超级电容器而言,电化学性能得到显著提升。此外,得益于水凝胶中高分子链上官能团间的动态相互作用,水凝胶电解质不仅展现出了优异的自愈性能,还具有出色的粉末自愈特性,能够有效地解决水凝胶电解质超级电容器因机械性不可逆损坏、结构缺失或失水导致的不可重复利用问题。这种具有粉末自愈性能的天然高分子水凝胶电解质,在绿色可循环利用的柔性可穿戴储能设备领域具有广阔的应用前景。

借助天然高分子水凝胶自身具有的三维网状结构以及高分子链间的相互作用,能够有效的在水凝胶结构内容部形成离子迁移通道,促进水凝胶中金属离子的迁移,使其具有优异的导电性。高分子链上官能团与凝胶中水分子间的牢笼效应能够对凝胶中水分子的运动性进行调控,进而达到拓展水凝胶电解质耐受电压范围的目的,使得以其为电解质的水凝胶超级电容的工作窗口电压达到0-2.2 V,164.13 W kg-1的功率密度下,能量密度可达到1283.44 Wh kg-1,并且表现出优异的循环稳定性(5000圈,保留率达到95.3%)。此外,水凝胶自身具有的优异的力学性能使得水凝胶电解质杂化超级电容器展现了良好的柔韧性和电化学稳定性,在不同程度的弯曲、压缩状态下仍然能够保持高效稳定的能量供给。

得益于水凝胶中高分子链上官能团间的动态相互作用,水凝胶电解质不仅展现出了优异的自愈性能能够有效的缓解机械性损伤,而且水凝胶电解质还具有出色的粉末自愈特性,将破损或干燥失效的水凝胶电解质研磨粉末后,加入少量的去离子水,粉末又能够快速的恢复为水凝胶并且保持稳定的力学性能和电化学性能。为了验证天然高分子水凝胶电解质所具有的优异自愈特性,分别对水凝胶电解质和水凝胶超级电容器自愈前后电化学性能和力学性能进行了测定,展现出优异稳定性。此外,在粉末自愈过程中,水凝胶电解质还能够重塑成为不同相貌,满足不同实际情况的应用需求,重塑后仍保持稳定的电化学性能和力学性能。该研究有效地解决了水凝胶电解质普遍存在的回收再利用问题,显著提升了柔性水凝胶电解质超级电容器的电化学性能,有利于进一步发展具有高性能、可循环利用的柔性储能设备。

该研究成果以“A Powder Self-Healable Hydrogel Electrolyte for Flexible Hybrid Supercapacitors with High Energy Density and Sustainability”为题,发表于《Small》(DOI: 10.1002/smll.202006807)。博士后黄海龙和博士生韩卢为共同第一作者,徐敏教授和潘丽坤教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(No. 21875068)的支持。