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深大萬學(xué)娟教授團(tuán)隊Nano Lett.:生物質(zhì)水凝膠電解質(zhì)邁向綠色耐用的超級電容器-增強阻燃性、低溫自愈性、自粘性和長循環(huán)穩(wěn)定性
2024-10-01  來源:高分子科技

  水凝膠電解質(zhì)具有離子傳導(dǎo)性和強大的柔韌性,被廣泛認(rèn)為是柔性超級電容器的理想候選材料。然而,它們在實際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn),如無法自我修復(fù)、電極-電解質(zhì)界面不穩(wěn)定、工作溫度范圍有限以及易燃燒等,這些問題嚴(yán)重影響了儲能設(shè)備的使用壽命。近期,深圳大學(xué)材料學(xué)院萬學(xué)娟教授課題組報道了一種全能型綠色水凝膠電解質(zhì)(SNFs/PGP/硼砂/甘油(SPBG)-ZnSO4),該電解質(zhì)集多種關(guān)鍵性能于一體,包括高保水性、寬溫度耐受性(-20 °C至90 °C)、優(yōu)異的界面粘附性(60.7 kPa)、出色的阻燃性(極限氧指數(shù)為51%)、低溫自愈性(-20 °C時10 s)和良好的離子導(dǎo)電性(7.68 mS cm-1)。


圖1. SPBG-ZnSO4的制備示意圖。


  該研究將蠶絲納米纖維(SNFs)和桃膠多糖(PGP)在水-甘油的二元溶劑體系中混合,利用硼砂動態(tài)交聯(lián),并采用滲透法加入ZnSO4鹽溶液制備得到SPBG-ZnSO4水凝膠電解質(zhì)(圖1)。SNFs可以為水凝膠電解質(zhì)提供可靠的結(jié)構(gòu)支撐,其固有的阻燃性還能提高器件的安全性。PGP出色的粘附性可以促進(jìn)水凝膠電解質(zhì)與電極之間形成穩(wěn)定的界面。由于動態(tài)硼酸酯鍵和氫鍵的協(xié)同作用,SPBG-ZnSO4水凝膠電解質(zhì)表現(xiàn)出優(yōu)異的自修復(fù)特性,即使在-20 oC的低溫環(huán)境下,仍可在數(shù)秒內(nèi)實現(xiàn)高效率的自修復(fù)。


圖2. SPBG-ZnSO4的保水性能、粘附性能以及柔性超級電容器的電化學(xué)性能。


  由于甘油和ZnSO4的存在,SPBG-ZnSO4水凝膠電解質(zhì)具有良好的保水性能。在面對復(fù)雜的機(jī)械變形和潛在損壞時,電解質(zhì)和電極之間的粘附力對于確保柔性電子產(chǎn)品穩(wěn)定的電化學(xué)性能至關(guān)重要。SPBG-ZnSO4水凝膠電解質(zhì)優(yōu)異的粘附性能很好地解決以上問題。基于SPBG-ZnSO4的柔性超級電容器在連續(xù)的機(jī)械刺激和破壞(180°彎曲、承重、穿孔)下表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能(圖2),突出了生物質(zhì)水凝膠在柔性儲能器件中的潛力。


圖3. SPBG-ZnSO4基超級電容器的電化學(xué)性能。


  SPBG-ZnSO4水凝膠電解質(zhì)對環(huán)境和溫度的耐受性,確保了其在超級電容器中的長期循環(huán)穩(wěn)定性。基于SPBG-ZnSO4的超級電容器在25 °C下經(jīng)過40,000次充放電循環(huán)后,可實現(xiàn)98.2%的高電容保持率。即使在-20 °C和50 °C下經(jīng)過15,000次循環(huán)后,電容保持率仍然可以達(dá)到90%以上,庫侖效率接近100%。同時,超級電容器在高溫(50 °C)下長時間循環(huán)(15,000次循環(huán))后,再次進(jìn)行高低溫循環(huán)(-20 °C至90 °C),比電容仍然可以穩(wěn)定地恢復(fù),保持率為99%(圖3)。總體而言,這種多功能綠色生物基水凝膠電解質(zhì)的制備為設(shè)計高性能、耐環(huán)境的柔性儲能器件提供了一條新的途徑。


  該工作以“Biomass Hydrogel Electrolytes toward Green and Durable Supercapacitors: Enhancing Flame Retardancy, Low-Temperature Self-Healing, Self-Adhesion, and Long-Term Cycling Stability”為題發(fā)表在《Nano Letters》上(DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02852)。論文的第一作者為深圳大學(xué)材料學(xué)院碩士研究生朱楠楠,通訊作者為深圳大學(xué)材料學(xué)院萬學(xué)娟教授張作才博士。該研究得到國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金以及深圳市科技計劃等項目的支持。


  文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c02852


  深圳大學(xué)萬學(xué)娟教授課題組https://cmse.szu.edu.cn/szdw1/jsml/gfzclygc/j_s/wxj.htm長期招收高分子智能材料、能源材料背景的博士后,有意者可將簡歷發(fā)至wanxj@szu.edu.cn。


  工作內(nèi)容:聚合物基自修復(fù)材料;水系鋅離子電池。


  應(yīng)聘條件: 35周歲以下,高分子材料、有機(jī)化學(xué)、能源材料等相關(guān)專業(yè),即將獲得博士學(xué)位或者取得博士學(xué)位3年以內(nèi);具有較強的科研創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作精神,有發(fā)表SCI二區(qū)以上相關(guān)論文者優(yōu)先。


  聘期待遇:綜合年薪約33萬元(入選“荔薪計劃”者額外獎勵4.8萬/年,即~38萬/年)。出站后符合“荔園留菁計劃”的優(yōu)秀博士后,直接申請教師崗位(博士后留校綠色通道)。


  詳細(xì)信息可參見深圳大學(xué)人力資源部博士后招聘簡章https://hr.szu.edu.cn/info/1024/7266.htm
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