青岛大学，CEJ观点：具有高离子电导率和机械强度的双阳离子Kgu/PAM凝胶聚合物电解质，适用于柔性全固态超级电容器

第一作者：谢开俊

通讯作者：邹译慧*，杨东江*，张晓东*

单位：青岛大学

固态超级电容器（SSCs）因其适应性、柔性、安全性和轻量化特点，在微型设备和柔性电子产品中具有广泛的应用前景。然而，现有的凝胶聚合物电解质（GPEs）在实际应用中存在离子电导率低、机械强度差以及电极/电解质界面不稳定等问题。尽管通过引入有机小分子、聚合物分子或微/纳米颗粒添加剂可以提升GPE的离子传输性能，但往往会降低其机械强度和稳定性。最近的研究表明，双阳离子储存机制在水系二次离子电池中表现出协同增效效应，有望在固态电解质中提升电化学性能。因此，该研究开发了一种新型双阳离子Kgu/PAM GPE，以期实现柔性固态超级电容器的储能性能。

近日，来自青岛大学的张晓东教授、杨东江教授与邹译慧教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Dual cation Kgu/PAM Gel polymer electrolyte with high ionic conductivity and mechanical strength for flexible All-Solid-State supercapacitors”的研究论文。该论文提出了一种新型双阳离子Kgu/PAM GPE，其离子扩散系数分别为1.51×10^-8 cm²/s（K+）和4.77×10^-9 cm²/s（Na⁺）。通过径向分布函数和原位红外光谱，研究确认了双阳离子在Kgu/PAM中的迁移机制是通过长程水合通道完成的，这种迁移依赖于Kgu和PAM链段运动带来的结合水的持续形成。当将双阳离子Kgu/PAM GPE组装到柔性固态不对称超级电容器中时，材料展现出高离子电导率（86.9 mS/cm）、出色的能量密度（86.1 Wh/kg）和优异的功率密度（476 W/kg）。此外，该双阳离子Kgu/PAM GPE具有910%的卓越应变阈值和35 KPa的显著机械强度，同时还具备良好的柔韧性和阻燃性能，展现了其在多种领域实际应用的潜力。总体而言，这些研究成果为安全高效的柔性可穿戴设备的发展开辟了新的应用前景。

采用魔芋葡甘聚糖（Kgu）与聚丙烯酰胺（PAM）结合，通过添加NaNO3和KNO3成功构建了双阳离子固态电解质。Kgu/PAM复合物的拉伸强度从11 KPa提高到35 KPa，离子电导率也增加至86.9 mS/cm。Kgu/PAM具有高达910%的拉伸强度，这一特性使其在面对外部应力时表现出色的柔韧性和适应性，能够承受极大的变形而不损坏。这使得Kgu/PAM在可穿戴电子产品和柔性设备中的应用变得更加可行。该固态电解质具有多孔互穿网络结构，表现出高界面结合能（-3615 Kcal/mol）和低界面阻抗。K⁺和Na⁺的扩散系数分别增加到1.51×10^-8 cm²/s^-1和4.77×10^-9 cm²/s^-1。

通过分子动力学模拟和原位红外分析，研究揭示了Kgu/PAM中双阳离子迁移的详细机制。K⁺和Na⁺的迁移主要通过长程水合通道进行，这一现象是由水分子在电解质中形成的氢键网络所支持。水分子不仅充当离子的溶剂，参与水合过程，还通过增强电解质的结构稳定性，促进离子的快速迁移。Kgu和PAM链段的运动形成了动态的水合环境，为离子的传输提供了连续的通道。这种离子迁移机制不仅提高了离子的迁移速率，也改善了电解质的电化学性能，表明Kgu/PAM在固态电池和超级电容器中的应用前景广阔。

组装的非对称全固态超级电容器，在0.5 A g^-1的电流密度比电容高达310 F g^-1，能量密度和功率密度分别为86.1 Wh kg^-1和476 W kg^-1。这些优异的电化学性能使得Kgu/PAM能够满足现代柔性电子设备对快速响应和高能量密度的需求。此外，Kgu/PAM展现出的良好阻燃性，如HRR为90 kw/m²，THR为12.3 MJ·m²，SPR为0.012 m²·s^-1，TSP为0.82 m²，为电容器的可靠性和安全性提供了额外的保障。这些特性不仅增强了Kgu/PAM在实际应用中的可靠性，还为未来的安全柔性储能器件提供了有力支持。

Kgu/PAM的三维多孔结构为离子的快速迁移创造了良好的条件，这种结构不仅有助于离子的有效扩散，还增强了电解质的整体稳定性。通过氢键和范德华力的作用，Kgu/PAM在高温下依然保持了良好的热稳定性，残余质量在800 °C时仍能保持24.73%。这一特性确保了电解质在长期使用中的可靠性和安全性。这种出色的结构稳定性为Kgu/PAM在实际应用中的广泛使用奠定了坚实基础，特别是在对安全性和耐久性要求较高的领域，如电动车和可穿戴设备等。

Dual cation Kgu/PAM Gel polymer electrolyte with high ionic conductivity and mechanical strength for flexible All-Solid-State supercapacitors

张晓东 教授简介：1992年6月获得华东理工大学精细化工专业博士学位，目前担任青岛大学特聘教授和博士生导师。在职期间，他先后荣获山东省中青年学术骨干、学科带头人培养对象以及青岛市专业技术拔尖人才等称号。张晓东教授还积极参与学术组织，担任中国棉纺织行业协会专家委员会委员、山东省化学化工学会化学工程与精细化工专业委员会副主任委员、青岛市化学化工学会副理事长，并且是国家标准委员会棉纺织分委会和中国化工学会染料专业委员会的委员。他的主要研究方向包括纺织、油田、储能、医疗及食品用精细有机化学品的制备与应用。在国内外学术期刊上发表了180余篇学术论文，并获得了100项国家发明专利。他还曾是首位获得省级教学优秀成果二等奖的教师，并在省、市科学技术进步与技术发明方面获得了7项二等奖和三等奖。

杨东江 教授简介：2006年博士毕业于中国科学院山西煤炭化学研究所，青岛大学特聘教授，泰山学者特聘专家（两个聘期），山东省杰青，博士生导师，山东省学位委员会环境科学与工程学科评议组成员，学科带头人，青岛市政协委员。入选2022年斯坦福大学全球前2%顶尖科学家终身成就榜及2022年科睿唯安全球高被引科学家。主持国家级和省部级以上科研项目8项，以第一/通讯作者发表发表高水平学术论文300余篇，总引用超16000次，H因子73。授权国家发明专利15项，出版专著《海藻多糖基能源环境材料》。获山东省自然科学二等奖，青岛市自然科学一等奖，山东省优秀研究生指导教师。长期致力于可再生海藻制备高性能储能材料、生物质纳米功能化和环境科学等跨学科研究工作，开发了可代替贵金属铂的海藻基氢燃料电池催化剂和膜电极，对非金属氢燃料电池催化剂进行产业化探索。

邹译慧 教授简介：青岛大学二层次特聘教授，主要研究方向包括二次离子电池电极材料的绿色合成与性能研究，全固态超级电容器/离子电池隔膜材料，缺陷结构在电极材料中的应用研究。主持国家级和省市级各类科研项目5项，在Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.、Energy Stor. Mater.、Carbon Energy、Nano Energy、Appl. Catal. B、ACS Nano、Small等知名期刊上发表论文20余篇。出版著作1部，获得授权专利5项。相关研究成果山东省自然科学二等奖，青岛市自然科学一等奖。