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深大萬學娟教授團隊Nano Lett.:生物質水凝膠電解質邁向綠色耐用的超級電容器-增強阻燃性、低溫自愈性、自粘性和長循環穩定性
2024-10-01  來源:高分子科技

  水凝膠電解質具有離子傳導性和強大的柔韌性,被廣泛認為是柔性超級電容器的理想候選材料。然而,它們在實際應用中也面臨一些挑戰,如無法自我修復、電極-電解質界面不穩定、工作溫度范圍有限以及易燃燒等,這些問題嚴重影響了儲能設備的使用壽命。近期,深圳大學材料學院萬學娟教授課題組報道了一種全能型綠色水凝膠電解質(SNFs/PGP/硼砂/甘油(SPBG)-ZnSO4),該電解質集多種關鍵性能于一體,包括高保水性、寬溫度耐受性(-20 °C至90 °C)、優異的界面粘附性(60.7 kPa)、出色的阻燃性(極限氧指數為51%)、低溫自愈性(-20 °C時10 s)和良好的離子導電性(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,利用硼砂動態交聯,并采用滲透法加入ZnSO4鹽溶液制備得到SPBG-ZnSO4水凝膠電解質(圖1)。SNFs可以為水凝膠電解質提供可靠的結構支撐,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水凝膠電解質與電極之間形成穩定的界面。由于動態硼酸酯鍵和氫鍵的協同作用,SPBG-ZnSO4水凝膠電解質表現出優異的自修復特性,即使在-20 oC的低溫環境下,仍可在數秒內實現高效率的自修復。


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性能。


  由于甘油和ZnSO4的存在,SPBG-ZnSO4水凝膠電解質具有良好的保水性能。在面對復雜的機械變形和潛在損壞時,電解質和電極之間的粘附力對于確保柔性電子產品穩定的電化學性能至關重要。SPBG-ZnSO4水凝膠電解質優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的機械刺激和破壞(180°彎曲、承重、穿孔)下表現出穩定的性能(圖2),突出了生物質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性能。


  SPBG-ZnSO4水凝膠電解質對環境和溫度的耐受性,確保了其在超級電容器中的長期循環穩定性。基于SPBG-ZnSO4的超級電容器在25 °C下經過40,000次充放電循環后,可實現98.2%的高電容保持率。即使在-20 °C和50 °C下經過15,000次循環后,電容保持率仍然可以達到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(15,000次循環)后,再次進行高低溫循環(-20 °C至90 °C),比電容仍然可以穩定地恢復,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的制備為設計高性能、耐環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”為題發表在《Nano Letters》上(DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02852)。論文的第一作者為深圳大學材料學院碩士研究生朱楠楠,通訊作者為深圳大學材料學院萬學娟教授張作才博士。該研究得到國家自然科學基金、廣東省自然科學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


  深圳大學萬學娟教授課題組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,有意者可將簡歷發至wanxj@szu.edu.cn。


  工作內容:聚合物基自修復材料;水系鋅離子電池。


  應聘條件: 35周歲以下,高分子材料、有機化學、能源材料等相關專業,即將獲得博士學位或者取得博士學位3年以內;具有較強的科研創新能力和團隊協作精神,有發表SCI二區以上相關論文者優先。


  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”的優秀博士后,直接申請教師崗位(博士后留校綠色通道)。


  詳細信息可參見深圳大學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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(責任編輯:xu)
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