【前沿技术】Mxene/性离子水凝胶抗冻高性能锌离子混合超级电容器

由于化石能源的大幅减少以及人们对可穿戴电子设备需求的不断增加，越来越多的人们对先进的电化学储能设备进行了更为深入的研究，这些设备具有**的机械性能、高能量/功率密度、长工作寿命、出色的安全性、成本效益和生态友好性等综合特点。特别是，基于水凝胶电解质的水基锌离子混合电容器(ZIHCs)凭借其固有的无毒、低成本、安全和出色的机械性能而脱颖而出。

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。

近日，桂林理工大学的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》。

【研究亮点】

⭐通过在PSCM中加入高浓度氯化锌，可以充分抑制水的冻结/分解，扩大电压窗，增强抗冻性。高浓度氯化锌的充填可以抑制水的分解和结冰现象。

⭐创新性的添加了纤维素和Mxene： CMC能提供羧酸基团增强SBMA的韧性，MXene丰富了亲水性基团能加速SBMA的交联。MXene的干预也使PSCM/Zn的整体电子和离子迁移能力显著提高，SBMA中带负电荷的基团(SO₃⁻)更倾向于与Zn^{2 +}结合，使得PSCM/Zn整体表现出zn²⁺在水凝胶内的高效离子跳跃特性。

⭐材料的力学性上可达到300%的上拉变形能力，且 PSCM-x/Zn具有不错的的室温离子电导率分别为2.23、2.56和2.43 S m⁻¹。

⭐可组装为柔性的高性能水系锌离子混合电容器，可以为各种商业电子产品供电。

【图文导读】

图1. 示意图

图2. 理论计算

▲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。

图3. 锌离子混合电容器电化学性能以及实用性展示

▲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。

图4. 锌离子混合电容器电化学性能以及实用性展示

图5. 锌离子混合电容器电化学性能以及实用性展示

【研究总结】

本文章为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。

【文献信息】

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

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