Multifunctional Zincophilic Hydrogel Electrolyte with Abundant Hydrogen Bonds for Zinc-Ion Capacitors and Supercapacitors

超级电容器 电解质 材料科学 电容器 电容 离子电导率 纳米技术 化学工程 化学 电极 电压 电气工程 物理化学 工程类
作者
Shuzhen Cui,Wenxing Miao,Xiangbing Wang,Kanjun Sun,Hui Peng,Guofu Ma
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (19): 12355-12366
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c01304
摘要

The new-generation flexible Zn-ion capacitors (ZICs) require multifunctionality and environmental adaptability for practical applications. This essentially means that hydrogel electrolytes are expected to possess superior mechanical properties, temperature resistance, and tunable interface properties to resist flexibility loss and performance degradation over a wide operating temperatures range. Herein, a multifunctional polyzwitterionic hydrogel electrolyte (PAM/LA/PSBMA) with wide operating temperatures, excellent tensile ability, high water retention, and self-adhesion is designed. Molecular dynamics simulations and experimental results show that polar functional groups (–COO–, –SO3–, –C═O, and –NHCO−) in the hydrogel can form abundant hydrogen bonds with water molecules, which can destroy the original hydrogen bonds (HBs) network between the water molecules and have a low freezing point. It can also form coordination with Zn2+, so that the deposition of Zn2+ electric field homogenization effectively alleviates the growth of Zn dendrites. On this basis, the constructed Zn//Zn cell can be stably cycled 290 h at 10 mA cm–2 (1 mA h cm–2). The constructed ZICs and supercapacitor have a high specific capacitance, excellent energy density, good ionic conductivity, and long cycling stability. This study provides guidance on molecular design for the development of integrated multifunctional smart electronic devices that are environmentally adaptable, resistant to drying, and highly flexible.
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