在柔性电子快速发展的背景下，电化学储能设备对高能量密度、快速响应及良好机械性能提出更高要求。聚电解质（PE）凭借其优异的加工性、高比电容和柔性特性，成为电双层电容器（EDLC）中液体电解质的有力替代选项。然而，与简单离子液体相比，PE分子链的可变构象和复杂电荷序列使其电吸附行为更为复杂，这种复杂性虽增加了对体系理解的挑战，却也为调控储能性能提供了更丰富的设计空间。但是，在实验层面，系统性探究这些结构变量的影响仍面临诸多困难。一方面，聚电解质构象与序列难以在分子尺度上精准控制与表征；另一方面，体系中不可避免存在反离子，它们的参与进一步增加了解析复杂度。
近日，华南理工大学前沿软物质学院孔宪教授团队为了探索PE基电容器中序列和性能的关系，采用了一种基于对称PE链构建的理想聚电解质体系，该方法规避了传统单链PE体系中反离子的干扰，使得电荷分数与电荷序列对EDLC性能的本征影响得以清晰解析。研究通过恒电位分子动力学模拟发现，随着链中带电单元比例的升高，体系可提供更强的电荷调节能力，使更多带电单元在电极表面有效吸附，从而显著提升微观双电层结构的电容和充电速率。进一步地，采用不同电荷分布模式（如块状(block )分布与规则(regular)交替分布）的PE，并比较其在电极界面上的吸附行为及储能性能。结果表明，具有块状分布的PE链的单位面积的电荷积累密度显著提升，整体电容表现优于常规均匀分布的PE以及离子液体等对照体系。然而，该优势也伴随着充电速率的降低。由于带电区段集中，块状PE链在吸附过程中需要经历更大尺度的链构象重组与缓慢松弛过程，导致其充电动力学呈现出非指数型迟滞行为，体现为Kohlrausch–Williams–Watts (KWW) 式多时间尺度充电过程，充电速率相对下降。该研究不仅揭示了电荷序列调控储能性能的内在机理，也为聚电解质型电解质在柔性储能器件中的结构设计提供了理论依据与设计指南。该策略亦为未来不同电荷构型、聚合度及功能基团修饰的PE体系设计提供了参考。
图1. 以PE溶液为工作电解质的双层电电容器
图2. 基于PE溶液的EDLC的性能表现
图3. 吸附的PE链的构象由具有train、loop或tail特征的链片段进行表征
该工作是团队近期关于纳米受限空间内聚电解质的相关研究的最新进展之一。相关研究成果以“Tunable Electric Double-Layer Capacitor Performance through Engineered Charge Patterns in Polyelectrolytes”为题，发表在《Macromolecules》期刊上，文章第一作者为华南理工大学前沿软物质学院博士研究生隋岩，文章通讯作者为华南理工大学前沿软物质学院孔宪教授。该研究得到国家自然科学基金委、广东省科学技术厅、广东省基础与应用基础研究基金、广州市科学技术局、中央高校经费支持，以及华南理工大学科学计算公共服务平台的算力支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c00595
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