Antifreezing Proton Zwitterionic Hydrogel Electrolyte via Ionic Hopping and Grotthuss Transport Mechanism toward Solid Supercapacitor Working at −50 °C

电解质 材料科学 超级电容器 机制(生物学) 质子 化学工程 离子键合 质子输运 快离子导体 纳米技术 化学 电化学 电极 离子 有机化学 物理化学 物理 量子力学 工程类
作者
Weigang Sun,Zhen Xu,Congde Qiao,Bingxi Lv,Ligang Gai,Xingxiang Ji,Haihui Jiang,Libin Liu
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:9 (27) 被引量:103
标识
DOI:10.1002/advs.202201679
摘要

Hydrogel electrolyte is widely used in solid energy storage devices because of its high ionic conductivity, environmental friendliness, and non-leakage property. However, hydrogel electrolyte is not resistant to freezing. Here, a high proton conductive zwitterionic hydrogel electrolyte with super conductivity of 1.51 mS cm-1 at -50 °C is fabricated by random copolymerization of acrylamide and zwitterionic monomer in the presence of 1 m H2 SO4 and ethylene glycol (EG). The antifreezing performance and low temperature conductivity are ascribed to hydrogen bonds and ionic bonds between the components and water molecules in the system and can be tuned by changing the monomer ratio and EG contents. The proton hopping migration on the ionic group of the polymer chains and Grotthuss proton transport mechanism are responsible for the high proton conductivity while Grotthuss transport is dominated at the glassy state of the polymer chains. The electrolyte-assembled supercapacitor (SC) offers high specific capacitance of 93.5 F g-1 at 25 °C and 62.0 F g-1 at -50 °C with a capacitance retention of 91.1% and 81.5% after 10 000 cycles, respectively. The SC can even work at -70 °C. The electrolyte outperforms most reported antifreezing hydrogel electrolytes and has high potential in low-temperature devices.
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