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文 章 信 息
宽温域、高能量密度水系钠离子混合电容器的构建
第一作者：徐明昊、翟盛君
通讯作者：李园园、刘金平
单位：华中科技大学；武汉理工大学
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研 究 背 景
发展高安全、低成本、大规模储能技术是推动能源结构转型的关键。水系钠离子混合电容器（ASIHCs）结合了电池的高能量密度与电容器的高功率特性，且因其水系电解液的本征安全性而备受关注。然而，其实际应用面临两大挑战：一是传统水性电解液在低温下易冻结，导致离子电导率急剧下降与器件失效；二是受限于电容型正极的较低比容量，器件整体能量密度提升困难。针对低温问题，水凝胶电解质虽可改善界面并赋予柔性，但其聚合物网络常会阻碍离子迁移。近期，两性离子材料在调控离子溶剂化结构、提升离子电导率方面展现出潜力，但其在钠离子体系中的作用机制及与高容量电极的协同效应尚待深入探索。
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文 章 简 介
近日，华中科技大学李园园与武汉理工大学刘金平教授团队合作，在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上发表了题为“High-Capacity Electrode Coupling Empowered by a Zwitterionic Hydrogel Electrolyte for Wide-Temperature, High-Energy-Density Aqueous Sodium-Ion Hybrid Capacitors”的研究论文。该工作创新性地设计并合成了一种含有磺酸根与季铵基团的两性离子水凝胶电解质（PASGE），并将其与高容量的δ-MnO2正极、预钠化NaTi2(PO4)3/C负极成功耦合，构筑了高性能柔性混合电容器。本研究通过电解质设计与电极匹配的协同策略，利用PASGE同时实现了拓宽电解液工作温域与构建快速钠离子传输通道的双重功能。基于此组装的器件在-20°C至65°C的宽温度范围内表现出卓越的稳定性，并实现了高达~60 Wh kg-1的能量密度（基于两极活性物质总质量）及优异的抗形变性能，为开发下一代高性能水系储能器件提供了新思路。
图1 (a) PASGE水凝胶电解质制备过程示意图、PASGE的微化学环境以及ASIHC设备的组装示意图。 (b-d) PASGE中S 2p、N 1s、C 1s的XPS谱图。(e) PASGE的FT-IR谱图。(f) 冷冻干燥后PASGE SEM图像。(g) PASGE中Cl, Na, O元素的分布。
图2 (a-d) PASGE前驱体溶液与聚合后的水凝胶在不同温度下的状态照片。(e) PAMGE和PASGE在25°C下放置30天的保水性测试。PAMGE和PASGE的(f) DSC曲线、(g)宽温度范围内的离子电导率对比。(h) PAMGE的离子电导率与已报道水系钠离子凝胶电解质离子电导率的对比。PAMGE和PASGE的(i)Raman光谱和(j)FT-IR光谱。(k) PAMGE和PASGE中具有不同数量氢键供体/受体的水分子比例示意图。(l)PASGE中的v(ClO4⁻)信号。
图3 (a-c) 分子动力学模拟显示的PASGE与PAMGE中Na⁺溶剂化结构及径向分布函数分析。分子动力学模拟中PAMGE和PASGE中(d) 聚合物-水氢键数量、(e) 自由水含量。(f) Na⁺与不同电解质的结合能。(g)不同电解质中代表性溶剂化结构的去溶剂化能。
图4 (a) 25 ℃下，5 ~ 30 mV s-1扫描速率下的循环伏安(CV)曲线；(b) 25 ℃下，不同电流密度下的充放电曲线。(c) 倍率性能与 (d) 25 ℃、2 A g-1电流密度下的循环性能。(e) 与已报道水系钠离子储能器件（ASIHCs和ASIBs）的循环性能及 (f) 能量密度对比（注：所有能量密度均已按两极活性物质的总质量进行归一化计算）。(g) 65 ℃ 与 (h) -20 ℃、2 A g-1电流密度下的循环性能。(i) 不同温度和电流密度下的放电比容量。
图5 PASGE与PAMGE的(a)拉伸应力-应变曲线、(b)压缩应力-应变曲线。(c) PASGE处于不同变形状态下的光学照片。(d) 照明实验（展示器件在不同弯曲角度下点亮LED）及 (e) 在短时间连续测试中获得的、对应不同弯曲角度的充放电曲线，用以评估其变形响应性能。(f) 器件在不同弯曲角度下的容量。(g) 器件在固定180°弯曲状态下的长循环性能。
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本 文 要 点
要点一：
设计了一种兼具抑制水活性与促进离子传输双功能的两性离子水凝胶电解质。该电解质通过其磺酸根与季铵基团的协同作用，一方面破坏水分子强氢键网络，降低冰点、拓宽电化学窗口；另一方面强力捕获并定向传输Na+，在宽温域内保持超高离子电导率。
要点二：
提出了“高容量电极耦合”策略，显著提升了器件能量密度。将上述电解质与高容量的δ-MnO2正极及预钠化NTP/C负极相匹配，充分发挥了电极的容量优势，使混合电容器的能量密度提升至约60 Wh kg-1，同时保持了优异的倍率与循环性能。
要点三：
展示了器件优异的宽温域适应性与柔性应用潜力。组装的准固态器件在-20至65 °C范围内性能稳定，并能承受弯曲、弯折等形变，在柔性、可穿戴电子设备的能源供给方面展现出应用前景。
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文 章 链 接
High-Capacity Electrode Coupling Empowered by a Zwitterionic Hydrogel Electrolyte for Wide-Temperature, High-Energy-Density Aqueous Sodium-Ion Hybrid Capacitors
https://doi.org/10.1002/adfm.75181
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