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

  水凝膠電解質(zhì)具有離子傳導(dǎo)性和強(qiáng)大的柔韌性，被廣泛認(rèn)為是柔性超級(jí)電容器的理想候選材料。然而，它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)，如無(wú)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(wèn)題嚴(yán)重影響了儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命。近期，深圳大學(xué)材料學(xué)院萬(wàn)學(xué)娟教授課題組報(bào)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(jí)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(duì)復(fù)雜的機(jī)械變形和潛在損壞時(shí)，電解質(zhì)和電極之間的粘附力對(duì)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(wèn)題。基于SPBG-ZnSO4的柔性超級(jí)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?xún)?chǔ)能器件中的潛力。


圖3. SPBG-ZnSO4基超級(jí)電容器的電化學(xué)性能。


  SPBG-ZnSO4水凝膠電解質(zhì)對(duì)環(huán)境和溫度的耐受性，確保了其在超級(jí)電容器中的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。基于SPBG-ZnSO4的超級(jí)電容器在25 °C下經(jīng)過(guò)40,000次充放電循環(huán)后，可實(shí)現(xiàn)98.2%的高電容保持率。即使在-20 °C和50 °C下經(jīng)過(guò)15,000次循環(huán)后，電容保持率仍然可以達(dá)到90%以上，庫(kù)侖效率接近100%。同時(shí)，超級(jí)電容器在高溫（50 °C）下長(zhǎng)時(shí)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(jì)高性能、耐環(huán)境的柔性?xún)?chǔ)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(wàn)學(xué)娟教授和張作才博士。該研究得到國(guó)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(jì)劃等項(xiàng)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(wàn)學(xué)娟教授課題組https://cmse.szu.edu.cn/szdw1/jsml/gfzclygc/j_s/wxj.htm長(zhǎng)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(jiǎn)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(zhuān)業(yè)，即將獲得博士學(xué)位或者取得博士學(xué)位3年以?xún)?nèi)；具有較強(qiáng)的科研創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)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(wàn)元（入選“荔薪計(jì)劃”者額外獎(jiǎng)勵(lì)4.8萬(wàn)/年，即~38萬(wàn)/年）。出站后符合“荔園留菁計(jì)劃”的優(yōu)秀博士后，直接申請(qǐng)教師崗位（博士后留校綠色通道）。


  詳細(xì)信息可參見(jiàn)深圳大學(xué)人力資源部博士后招聘簡(jiǎn)章https://hr.szu.edu.cn/info/1024/7266.htm
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（責(zé)任編輯：xu）
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