行业动态 | 新型梯度厚电极问世！锌离子混合电容器解锁超高倍率、长寿命储能

中科院合肥物质科学研究院团队在《Composites Part B: Engineering》发表成果：以顺序激光工程策略构筑一体化三层梯度厚电极，破解厚电极"容量、倍率、寿命"难兼得难题，为锌离子混合电容器实用化铺路。

锌离子混合电容器（Zinc-Ion Hybrid Capacitor，ZIHC）凭借能量密度高、充放电速度快、本质安全无污染三大优势，被视为高功率储能场景的热门候选器件。

要提升储能容量，最直接的办法是把电极做"厚"，让单位面积装下更多活性物质。但电极一厚，新问题就来了：

· 离子、电子要"跑"的路程变长，传输速率大幅下降；

· 电极结构稳定性变差，活性物质容易脱落损耗；

· 循环寿命随之明显衰减。

高容量、高倍率、长寿命难以兼得——这正是高性能储能厚电极设计的核心瓶颈。

研究团队依托顺序激光加工技术，在连续三维多孔石墨烯框架上精准构建出三层差异化功能区域，形成结构连续、功能互补的一体化阶梯式功能梯度厚电极。

与传统"逐层涂覆"不同，激光一体化成型让各层是"长在一起"，而不是"贴在一起"：结构测试显示，梯度电极层间电阻仅 22–24 Ω [1]，约为传统物理涂覆电极（约 70 Ω [1]）的三分之一，层间传输损耗大幅降低。

📌 底层｜多孔石墨烯（LPG）· 厚约 125 μm 

搭建连续完整的石墨化导电网络，打通电子快速传输通道，降低电子传输阻力，为器件高效充放电打底——电极里的"电子高速路"。

⚡ 中层｜锰氧化物复合多孔石墨烯（LPG@MnOx）· 厚约 315 μm 

核心储能区：锰氧化物原位嵌入石墨烯骨架，依托丰富的氧化还原反应储存电荷；互联多孔结构大幅提升电解液与锌离子的接触可达性——电极里的"电荷仓库"。

💧 顶层｜富氧多孔石墨烯（LPG-O）· 厚约 112 μm 

构建亲水多孔界面，优化电解液浸润与离子输运效率；同时牢牢锁定锰基活性物种，抑制活性物质不可逆流失，守住循环稳定性——电极里的"界面卫士"。

✅ 超高面容量：厚电极面积电容达 7.89 F cm⁻² [1]

✅ 超长循环寿命：单电极循环 12000 次后，容量保持率 93.6% [1]

✅ 高能量密度：组装完整器件后，能量密度达 81.95 Wh kg⁻¹ [1]

✅ 高倍率稳定性：在 5.0 A g⁻¹ 大电流下循环 15000 次，电容保持率仍达 90.2% [1]

模拟计算与循环表征进一步验证：梯度功能结构有效改善电解液浸润、提升电极厚度方向的离子传输效率；顶层富氧结构高效留存迁移的锰基活性物质，从源头缓解长期循环中的性能衰减。

这项工作的价值不止于一套电极，更在于一种方法论：通过空间分区调控，把电子传输、离子输运、氧化还原储能、界面稳定四大核心功能在电极内部协同排布，实现厚电极"结构-功能一体化"设计。

对产业端而言，这为高面容量、高倍率、长寿命锌基储能器件提供了成熟的技术参考，有望推动锌离子混合电容器在高功率储能、新能源设备等领域的规模化应用。

据悉，该研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院专项项目等多项国家级科研项目支持。

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