韩帅元教授、孔宪志研究员、霍鹏飞副教授， CEJ：无机纳米粒子增强双网络水凝胶电解质用于超级电容器的低温适应性研究- 大数跨境

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韩帅元教授、孔宪志研究员、霍鹏飞副教授， CEJ：无机纳米粒子增强双网络水凝胶电解质用于超级电容器的低温适应性研究

科学材料站

2023-12-08

导读：韩帅元教授、孔宪志研究员、霍鹏飞副教授， Chemical Engineering Journal：无机纳米粒子增强双网络水凝胶电解质用于超级电容器的低温适应性研究

文章信息

无机纳米粒子增强双网络水凝胶电解质用于超级电容器的低温适应性研究

第一作者：罗娜，王建

通讯作者：韩帅元1*，孔宪志2*，霍鹏飞1*

单位：1东北林业大学材料科学与工程学院，2黑龙江省科学院石油化学院

研究背景

超级电容器用于在短时间内提供高功率输出。现如今，随着人们对电容器的要求越来越多，迫切需要超级电容器在低温环境中表现出更高的灵活性和电化学效能。水凝胶电解质具有显著的优点，包括便携性、灵活性和稳定性，使其在实现柔性电化学超级电容器方面极具前景。在低温环境下凝胶会冻结，从而，开发在低温环境下能够维持优良的离子传导能力的凝胶聚合物电解质是获得优异电化学效能的超级电容器中的关键。

文章简介

近日，来自东北林业大学的韩帅元教授以及霍鹏飞副教授和黑龙江省科学院石油化学院的孔宪志研究员在国际知名期刊Chemical Engineering Journal 上发表题为“Inorganic Nanoparticle-Enhanced Double-Network Hydrogel Electrolytes for Supercapacitor with Superior Low-Temperature Adaptability”的研究文章。该工作研究了无机纳米粒子增强的双网络水凝胶及其在超级电容器应用。本文通过木质素和丙烯酰胺（AM）制备了双网络水凝胶。利用SiO₂纳米颗粒增强了双网络水凝胶的结构稳定性和电化学效能，水凝胶电解质显示出0.096 S cm^-1的离子电导率，并伴有优异的灵活性和抗冻性。柔性超级电容器在-30 oC时表现出150 F g^-1的比电容，约为室温比电容的80%。

图1. 无机纳米粒子增强双网络水凝胶的设计策略以及结构和力学性能表征。

本文要点

要点一：单体AM的含量对超级电容器电化学性能的影响

在100 mV s^-1扫描速率下的CV曲线中，各不同AM含量的超级电容器在0-1.0 V的电压范围内都接近矩形情况，表明器件具有良好的双电层电容行为。其中，SC-Lignin-10%AM具有最佳的电化学性能。在3.0 A g^-1的高电流密度下，GCD曲线都呈现对称的三角形形状，Lignin-10%AM制备的超级电容器具有更对称的三角形、更长的放电时间并且电压降最小。根据放电曲线计算出的比电容，SC-Lignin-10%AM在5.0 A g^-1时的比电容达到了164.57 F g^-1与SC-Lignin-0%AM相比提高了67.5%，证明了PAM网络的引入能够改善超级电容器的电化学性能。

图2：SC-Lignin-xAM的电化学性能。a) 在扫描速度为100 mV s^-1的CV曲线。b) 电流密度为3.0 A g^-1时SC的GCD曲线。c) 不同AM含量的SC在不同电流密度下的比电容。d) SC-Lignin-xAM的Ragone图。e) SC-Lignin-10%AM在10-300 mV s^-1扫描速率下的CV曲线。f) SC-Lignin-10%AM在0.5～5.0A g^-1电流密度下的GCD曲线。

要点二：无机纳米离子增强的双网络水凝胶电解质的超级电容器的电化学性能

在综合考虑添加无机纳米粒子后水凝胶的机械强度和电化学性能后，Lignin-10% AM-3% SiO₂的水凝胶被确定为最佳配比。超级电容器在不同电流密度下的GCD曲线都呈现对称的三角形表明其理想的双电层行为。CV曲线在0-1.0 V范围内在不同扫描速率下也都呈现类矩形，表明该器件具有良好的倍率性能。在室温下，当电流密度为1.0 A g^-1时，该超级电容器在8000次循环中不间断地保持稳定性并且前10次循环与后10次循环的充放电曲线基本一致表明SC-Lignin-10% AM-3% SiO₂具有优异的循环性能。

图3：SC-Lignin-10%AM-3%SiO₂的电化学性能。a) 不同SiO₂含量的水凝胶的Nyquist曲线。b) 在0.2～5.0 A g^-1范围内不同电流密度下SC-Lignin-10%AM-ySiO₂的GCD曲线。c) 扫描速率为10～300 mV s^-1时SC-Lignin-10%AM-ySiO₂的CV曲线。d) SC-Lignin-10%AM-ySiO₂的室温循环性能及前10次循环的充放电曲线。e)SC-Lignin-10%AM-ySiO₂的Ragone曲线。

要点三：超级电容器的低温电化学性能

随着温度的降低，水凝胶的本征电阻(Rs)和电荷转移电阻(Rct)逐渐增加。GCD曲线可看出随着温度的降低，超级电容器的电压降也越来越明显，放电时间也越来越短。在-30 ℃时的CV曲线的面积明显小于室温下的，而且也由于低温增大了超级电容器内阻，图形随着温度的降低逐渐偏离矩形形状，温度降低导致离子传输受阻。但是，超级电容器的比容随着温度的降低而降低，其在-30 ℃时在1.0 A g^-1电流密度下仍然可以提供150 F g^-1的高比电容，约为室温下的80%。根据以上测试数据，该无机纳米粒子增强的双网络水凝胶电解质能够在低温环境条件下为超级电容器提供优异的柔性和电化学效能。

要点四：展望

储能器件的耐低温应用性对于低温寒冷地区的器件运行至关重要，尤其对于柔性器件，低温下既要保证供给优异的电化学效能，又需求维持良好的柔韧性能。因此，研究开发高性能复合耐低温聚合物电解质，是实现柔性可穿戴储能器件在低温环境下的安全稳定运行的关键。

图4：SC-Lignin-10%AM-3%SiO₂在不同温度下的电化学性能。a）不同温度下的Nyquist图。b-c）不同低温下在10 mV s^-1和100 mV s^{^-1}下的CV曲线。d-e）不同低温下在电流密度为0.2 A g^-1和1.0 A g^-1时的GCD曲线。f）采用GCD曲线计算了SC-Lignin-10%AM-3%SiO₂在不同低温和不同电流密度下的比电容。

文章链接

Inorganic nanoparticle-enhanced double-network hydrogel electrolytes for supercapacitor with superior low-temperature adaptability

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147741

通讯作者简介

韩帅元 教授简介：东北林业大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。博士毕业于法国索邦大学(皮埃尔玛丽居里大学、巴黎6大、法国国家科学研究中心(CNRS))，获工学博士学位(材料化学与物理); 曾任职于北京大学研究助理、新加坡南洋理工大学研究员；2021.12-至今任职于东北林业大学材料科学与工程学院。主要从事生物质基动态高分子材料的研究工作（包括机械化学改性生物质基高分子，生物质基超分子胶黏剂等），主持东北林业大学成栋杰出青年”启动基金、黑龙江省重点研发等项目，共计280余万元。以第一作者或通讯作者发表Nat. Comm.、Macromolecules、CEJ等top期刊11篇，申请专利多项。

孔宪志 研究员简介：博士，黑龙江省领军人才梯队“聚合物基复合材料”后备头人，硕士研究生导师，黑龙江省科学院石油化学研究院高分子胶粘剂与功能材料研究中心主任。1994年7月参加工作，主要从事高分子胶粘剂、涂料、复合材料的研究工作。发表论文60余篇，授权国家发明专利15项，获得黑龙江省科技进步二等奖2项，黑龙江省科技进步三等奖3项。主持完成国家省部级项目10多项，Surface＆Coating technology、Polymer Composite 期刊特约审稿人。

霍鹏飞 副教授简介：东北林业大学材料科学与工程学院副教授、硕士生导师。毕业于吉林大学，高分子化学与物理专业。主要研究方向为：生物质材料功能化及在电化学器件中的应用研究；高性能合成高分子及其复合材料制造。主持国家自然科学基金青年基金项目，参与国家自然科学基金面上项目若干；主持国家博士后面上项目，黑龙江省自然科学基金项目；参与发表SCI论文40余篇，Chemical Materials、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal 等期刊审稿人。