【原】中国科学技术大学闫立峰课题组--具有盐包水”电解质和N/P双掺杂石墨烯水凝胶电极，用于柔性准固态高性能锌离子混合电容器

石墨烯研究 2021-12-28

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水基锌离子混合超级电容器由于其二价性、高丰度和稳定性而受到广泛关注。通过集成电池型电极和电容型电极，可以同时实现高能量密度和高功率输出。然而，仍然存在许多问题，包括但不仅仅是氢析出反应，枝晶生长，和在低温下显著的容量损失。本工作提出了一种以1M Zn(CH₃COO)₂和20 _M CH₃COOK为基础的混合型“盐包水”水凝胶电解质，通过抑制水分子的分解，将ZHSC的电压窗口扩大到0-2.1 v。在功率密度为487.5 w/kg^-1的条件下，水溶性ZHSC的最大能量为100.2 wh/kg^-1，循环稳定性好，循环4000次后电容保留率达99.5% 。采用聚丙烯酸钾/羧甲基纤维素水凝胶电解质(含1M Zn(CH₃COO)₂和20 M CH₃COOK组装而成的柔性准固态ZHSC，在功率密度为383.3 w kg^-1的条件下，具有良好的低温适应性和耐磨储能性能，能量密度为106.5 wh kg^-1。

Figure 1. ZHSCs设备结构及工作原理图。

Figure 2. a) N/P共掺杂石墨烯水凝胶反应示意图;b) N 1s和c) P 2p 的XPS光谱。

Figure 3. a)拉曼光谱，b)电压窗，c)差示扫描量热法(DSC)从−70℃到70℃的曲线，以及d) 1 M Zn(CH₃COO)₂和不同浓度的CH₃COOK在开放气氛下的重量保留。

Figure 4. a) CV曲线，b) GCD曲线，c)比电容，d)以1 M Zn(CH₃COO)₂和28 _M CH₃COOK为基础的NP-rGO水溶液ZHSC的EIS;e)器件的电化学反应动力学;f) 5⁻~ 50 mV s⁻¹的扩散贡献和电容贡献。

Figure 5. a) NP-rGO//NP-rGO超级电容器与1 M Zn(CH₃COO)₂和28 M CH₃COOK水溶液ZHSC的自放电曲线;b) ZHSC水溶液在5 A g⁻¹条件下循环4000次的稳定性和库仑效率;c) Zn阳极经过4000次循环后的XRD和d) SEM图像。

Figure 6. a)柔性准固态ZHSC结构示意图;b) CV曲线和c)柔性ZHSC的比电容;d)柔性ZHSC与所报告柔性器件的Ragone图;e)柔性ZHSC在5 A g⁻¹下8000次循环的循环稳定性和库仑效率;f)柔性ZHSC在10 mV s⁻¹时的CV曲线，g)柔性ZHSC在1 A g⁻¹时的比电容;h)柔性ZHSC在不同弯曲条件下的图像。

Figure 7. ) 10 mV s⁻¹时的CV曲线，b) 1 a g⁻¹时的比电容，c)柔性ZHSC在−15、25和65℃时的EIS;d) LED和并联的定时器由一个柔性的ZHSC在冰上供电。

相关研究工作由中国科学技术大学Lifeng Yan课题组于2021年发表在《Adv. Sustain. Syst》上，原文：Flexible Quasi-Solid-State High-Performance Aqueous Zinc Ion Hybrid Supercapacitor with Water-in-Salt Hydrogel Electrolyte and N/P-Dual Doped Graphene Hydrogel Electrodes。