李明教授、黄海富副教授、方国赵教授， AFM MXene/两性离子水凝胶抗冻高性能锌离子混合超级电容器

共同第一作者：李若楠，贾文汉

通讯作者：李明*，黄海富*，方国赵*

单位：桂林理工大学，广西大学，中南大学

近日，来自桂林理工大学的李明教授、广西大学的黄海富副教授和中南大学的方国赵教授合作，在国际知名期刊ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS上发表题为“MXene/Zwitterionic Hydrogel Oriented Anti-freezing and High-Performance Zinc–Ion Hybrid Supercapacitor”的文章。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。

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%）。

锌离子混合电容器应用展示

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

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。