桂林理工大学、广西大学、中南大学AFM：Mxene凝胶方向新进展——两性离子水凝胶抗冻高性能锌离子混合超级电容器

然而，由于水凝胶网络中大量的水不可避免地被冻结，传统的水凝胶电解质在低温条件下的机械性能和导电性能急剧下降，这严重恶化了ZIHCs的电化学性能，阻碍了其现实性。为了克服这一障碍，人们引入了一些有机化合物，如乙二醇、甘油、二甲亚砜和乙腈，以取代水凝胶中的一些水，形成有机水凝胶电解质，它能够在低温下工作。然而，大多数有机水凝胶电解质会有着毒性、易燃性和高成本的问题，并且需要复杂而费力的制备过程。因此，合理构建具有特殊电化学性能的无有机抗冻水凝胶电解质是非常理想的，但仍然具有挑战性。

日前，桂林理工大学李明教授联合广西大学黄海富副教授、中南大学方国赵教授研究了一种凝胶型抗冻高性能锌离子混合超级电容器，相关工作以“MXene/Zwitterionic Hydrogel Oriented Anti-freezing and High-Performance Zinc–Ion Hybrid Supercapacitor”发表在国际知名期刊《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》。

该文章为ZIHCs设计了一种负载有羧甲基纤维素和MXene的两性离子水凝胶电解质 (ZHE)，其显示出优异的抗冻性和高输出电压。羧甲基纤维素和MXene增强了两性离子水凝胶电解质的柔韧性和导电性。此外，当ZnCl2被引入到凝胶电解质中，它引起离子传输速率的增加，这使得水凝胶的操作温度 (-40 ° C-25 °C) 变宽。结果，基于ZHE的Zn // AC ZIHCs显示出2 V的高电压窗口，137 Wh kg^{− 1}的高能量密度 (比容量) (247 F g^{− 1})，以及可穿戴设备的潜力。这项研究将为设计具有宽电压窗口，高能量密度和高实用性的水凝胶ZIHCs提供有效的策略。

MXene的介入可能在水凝胶单体SBMA上形成了一个更大的离子传输系统。DFT计算显示，MXene显著增强了SBMA/MXene片段对锌离子的结合能力，表明PSCM/Zn电解质对锌离子具有强吸引力，且整体电子和离子迁移能力显著提高。

高度浓缩的ZnCl₂因良好的水溶性和比其他无机盐更好的保水能力，使得PSCM/Zn具有优异抗冻性；PSCM/Zn水凝胶在-20°C时仍透明且柔软，与PSCM水凝胶在此温度下变得不透明且易碎形成对比。且凝胶能承受深度压缩，并在外力撤除后完全恢复。其结构在强行切割时仍能保持完整，不留痕迹；同时PSCM/Zn水凝胶具有大量的氢键，表现出良好的变形性和粘附性，能适应各种形状并粘附在不同角度弯曲的手指上。与其他MXene基水凝胶相比，PSCM/Zn水凝胶在便利性和实用性方面具有明显优势。

锌离子混合电容器电化学性能以及实用性展示

PSCM/Zn增强了可逆性，减少了锌金属电极的副反应和腐蚀，从而延长了循环寿命并拓宽了电化学窗口。所得柔性准固态ZIHCs具有良好的比容量（241 F g^-1）、电池级能量密度（137 W h kg^-1）、高功率密度（1.01 kW kg^-1）以及优异的循环寿命（3000次充放电后容量保持100%）。

通讯作者简介

李明教授简介：桂林理工大学教授，博士生导师，广西物理学会副理事长。2013年博士毕业于南京大学。主要从事锂离子电池、锂硫电池、超级电容器、水系锌离子电池电极材料与器件、二维MXene材料、电催化等方面的研究工作，主持国家自然科学基金2项，在Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano等期刊上发表论文60余篇，获授权国家发明专利10余项，获广西区自然科学二等奖1项。

黄海富副教授简介：广西大学物理科学与工程技术学院副教授，硕士生导师。主要从事纳米储能材料方面的研究工作，致力于高性能的电极材料和器件的可控制备和性能研究，通过材料的纳米结构设计、制备策略和能量存储与转化机制的研究，实现高性能的超级电容器\电解水\二次电池材料构筑和器件应用。

方国赵教授简介：中南大学教授，从事低成本二次电池关键电极材料开发、电解液调控及界面电化学等方面的研究。主持国家重点研发计划子课题，国家自然科学基金面上项目，湖湘青年科技创新人才项目，湖南省优青基金，中南大学创新驱动计划。入选科睿唯安2022年度（交叉学科）、2023年度（材料学科）“全球高被引科学家”。获得“中国百篇最具影响力国际学术论文”荣誉、湖南省优秀博士论文、eScience杰出贡献奖、Adv. Powder Mater.杰出贡献奖等。

--检测服务--

全文链接

MXene/Zwitterionic Hydrogel Oriented Anti-freezing and High-Performance Zinc–Ion Hybrid Supercapacitor

https://doi.org/10.1002/adfm.202409207