哈工大（深圳）《ACS AMI》：基于凝胶电解质和石墨烯电极的柔性防冻锌离子混合超级电容器

文章来源：材料分析与应用

采用水凝胶电解质的锌离子储能装置被认为是柔性和耐磨电子应用的有希望的候选者。这是因为它们的安全性、低成本和良好的机械特性然而，传统的水凝胶电解质在零下温度下面临限制。本文，哈尔滨工业大学宋清海课题组在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Flexible Antifreeze Zn-Ion Hybrid Supercapacitor Based on Gel Electrolyte with Graphene Electrodes”的论文，研究报告了一种基于聚乙烯醇（PVA）/锌/乙二醇体系的防冻，安全且无毒的凝胶电解质。最最佳凝胶电解质膜具有高离子电导率（室温下为15.03 mS cm–1）和良好的防冻性能（20°C时为9.05 mS cm–1，−40°C时为3.53 mS cm–1）。而且，防冻凝胶电解质可以抑制Zn树枝状晶体的生长，以显示出均匀的Zn镀覆/剥离行为。同样，用最佳的防冻凝胶电解质膜制成的柔性防冻Zn离子混合超级电容器具有优异的电化学性能。

该超级电容器在2v的高工作电压下，室温下具有247.7fg-1的高比容量，在室温下具有优异的循环稳定性。此外，超级电容器在电流负载为5 a g–1的情况下，在−20°C下的30000次循环中表现出非凡的电化学行为和循环稳定性，证明了其优异的低温电化学性能。此外，防冻超级电容器装置在不同变形条件下也具有很高的灵活性。因此，本研究为实现柔性防冻锌离子储能装置在零下温度环境中的应用提供了一种简单的方法。

图1.防冻凝胶电解质膜的制备示意图。

图2.（a）FTIR光谱，（b）拉应力-应变曲线和（c）凝胶电解质的DSC曲线，以及（d）PVA / Zn电解质，GEZn-2电解质和Zn（Tf）2。

图3.（a）PVA，（b）PVA / EG，（c）PVA / Zn，（d）GEZn-1，（e）GEZn-2和（f）GEZn-3的扫描电子显微镜图像。

图4.（a）在不同温度下GEZn-1和GEZn-2电解质的离子电导率，（b）在室温下GEZn-2电解质的DC极化曲线（插图显示了Zn / GEZn-的交流阻抗曲线） 2 / Zn对称电池极化前后），（c）GEZn-1和GEZn-2凝胶电解质在室温下的LSV曲线，（d）Zn /凝胶电解质/ Zn对称电池在室温下的CV曲线扫描速率为10 mV s –1时，范围为-1至1V 。

图5.（a）ZEDLC和（b）在各种电流密度下的ZHS超级电容器的GCD曲线，（c）ZEDLC和ZHS超级电容器的Ragone图，（d）在5 A g的电流密度下ZEDLC和ZHS超级电容器的循环性能–1和2 V时（插图显示最近10个周期的GCD曲线）。测量在室温下进行。

图6. ZHS在室温和-20°C下的电化学性能

图7.（a）防冻柔性ZHS超级电容器的示意图；（b）在各种变形条件下柔性ZHS的电容保持率（插图：相应的GCD曲线）；（c）在以180°的弯曲角度弯曲不同的时间后，柔性ZHS的容量保持率（插图：相应的GCD曲线）；（d–g）在不同破坏条件（弯曲，扭曲，折叠和冻结）下展示的ZHS超级电容器柔性手表的演示。

使用石墨烯阴极，防冻凝胶电解质膜和柔性Zn @ CC阳极，制造了具有优异电化学性能的柔性防冻Zn离子混合超级电容器（ZHS）。相信本研究可以为构建柔性防冻储能设备提供一种简便的策略，这将有助于开发在零以下温度下工作的柔性电子设备。