北京林业大学杨俊 Energy Environ. Sci.：全方位超分子两性离子水凝胶电解质实现环境适应的无枝晶锌离子电容器

2023-02-11 来源：高分子科技

关键词：双交联网络纳米纤维素聚丙烯酸超分子两性离子水凝胶电解质无枝晶锌离子电容器

水凝胶电解质基锌离子电容器具有可持续性、固有安全性、高能量/功率密度和出色的机械性能等诸多优势，被认为是一种非常有发展前景的柔性储能技术。回顾过去，锌阳极一直受到界面问题的干扰（锌枝晶生长、副反应和循环引发的界面裂纹）以及面临着难以将多个功能集成到单一水凝胶电解质中的困难，导致柔性锌离子电容器在各种复杂场景下的性能严重衰退。

针对上述不足，北京林业大学杨俊等人在前期研究的基础上（ACS Nano 2021, 15, 18469?18482），提出了一种全方位 (all-round)超分子两性离子水凝胶电解质（SZHE）的分子工程策略，实现了多种功能集成，包括可靠的力学-界面-环境稳定性、优秀的离子电导率（48 mS cm^?1）和Zn²⁺迁移数（0.86）以及出色的自愈合性能。通过理论模拟和一系列实验测试系统探讨了超分子两性离子水凝胶电解质实现无枝晶锌阳极的机理：原位修复长循环诱导的裂纹、调节锌离子溶剂化结构、引导均匀锌离子沉积和构建界面处无水环境。得益于这些优势，组装的环境适应型锌离子电容器在一系列实际应用所需的安全测试中表现出色，并首次与可穿戴电生理传感器集成，实现复杂场景下生理信号的稳定监测。在自然界中，许多植物通过体内积累两性离子渗透剂，如甜菜碱和脯氨酸，以防止水结晶和调节水压，帮助它们在低温和干旱环境中生存。受此启发，杨俊等人提出一种双交联网络设计策略，将自组装超分子两性离子可重组网络引入到纳米纤维素增强的聚丙烯酸网络中制备了一种全方位超分子两性离子水凝胶电解质，集成了一系列至关重要的性能特征，包括较高的力学-界面-导电可靠性、出色的环境稳定性（防潮、抗冻和耐热性）和自愈性。

图1全方位超分子两性离子水凝胶电解质实现环境适应型无枝晶锌离子电容器。

得益于两性离子的加入，实现无枝晶高度可逆锌阳极，主要归因于以下几个方面：两性离子丰富的极性官能团（羰基和氨基）、锌阳极的润湿性显著增强、析氢电位显著降低、腐蚀电位（E_corr）增加、过电位的增加和稳定的锌空间聚集等因素。

图2 两性离子改性电解质对锌可逆性的作用。

通过理论模拟和实验分析系统探讨了超分子两性离子水凝胶电解质促进锌离子去溶剂化机理、原位修复长循环诱导的裂纹、构建离子通道和无水界面等方面的内容。

图3 两性离子电解质添加剂的机理分析

基于全方位超分子两性离子水凝胶电解质构建的环境适应型锌离子电容器在一系列实际应用所需的严苛安全测试中表现优异，例如弯曲、折叠、扭曲、剪切、锤击、穿刺、冷冻、沸水浸泡和烧灼等内容。

图4. 超分子两性离子水凝胶电解质基锌离子电容器的环境适应性演示

与可穿戴电生理传感器集成，实现复杂场景下生理信号的稳定监测。文章最后对超分子两性离子水凝胶电解质未来的应用进行了展望，如化学-机械耦合、通过先进的表征方法系统全面研究电极/电解质界面、极端应用场景（如水下、深海、超低温环境＜?100 ℃）以及规模化、集成化和微型化等方面。

图5. 超分子两性离子水凝胶电解质基锌离子电容器的实际应用展望

以上研究成果以“All-Around Supramolecular Zwitterionic Hydrogel Electrolytes Enabling Environmentally Adaptive Dendrite-Free Aqueous Zinc Ion Capacitors”为题发表在能源类顶刊《Energy & Environmental Science》（IF 39.714）（DOI: 10.1039/D2EE03793A）上。北京林业大学杨俊研究组博士生符庆金为第一作者，许凤教授对此项工作的完成提供了支持，该研究获得中央高校基本科研业务费专项资金和制浆造纸工程国家重点实验室开放基金支持。
杨俊研究组聚焦于天然高分子软物质材料方面的研究，近年来在Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、ACS Nano和Chem. Mater. 等期刊上发表系列论文揭示纤维素和木质素在凝胶材料界面作用及其在柔性传感器中的应用探索。课题组目前招收2023级硕士生，欢迎优秀学生加入，有意者请联系yangjun11@bjfu.edu.cn，期待与您共同进步！

论文链接：https://doi.org/10.1039/D2EE03793A

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（责任编辑：xu）

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