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All‐Climate Stretchable Dendrite‐Free Zn‐Ion Hybrid Supercapacitors Enabled by Hydrogel Electrolyte Engineering

超级电容器 阳极 电解质 枝晶(数学) 材料科学 阴极 纳米技术 法拉第效率 电容 化学工程 电极 电气工程 化学 数学 几何学 工程类 物理化学
作者
Yuqi Jiang,Kun Ma,Meiling Sun,Yuanyuan Li,Jinping Liu
出处
期刊:Energy & environmental materials [Wiley]
卷期号:6 (2) 被引量:94
标识
DOI:10.1002/eem2.12357
摘要

Hybrid supercapacitors have shown great potentials to fulfill the demand of future diverse applications such as electric vehicles and portable/wearable electronics. In particular, aqueous zinc‐ion hybrid supercapacitors (ZHSCs) have gained much attention due to their low‐cost, high energy density, and environmental friendliness. Nevertheless, typical ZHSCs use Zn metal anode and normal liquid electrolyte, causing the dendrite issue, restricted working temperature, and inferior device flexibility. Herein, a novel flexible Zn‐ion hybrid supercapacitor (FZHSC) is developed by using activated carbon (AC) anode, δ‐MnO 2 cathode, and innovative PVA‐based gel electrolyte. In this design, heavy Zn anode and its dendrite issue are avoided and layered cathode with large interlayer spacing is employed. In addition, flexible electrodes are prepared and integrated with an anti‐freezing, stretchable, and compressible hydrogel electrolyte, which is attained by simultaneously using glycerol additive and freezing/thawing technique to regulate the hydrogen bond and microstructure. The resulting FZHSC exhibits good rate capability, high energy density (47.86 Wh kg −1 ; 3.94 mWh cm −3 ), high power density (5.81 kW kg −1 ; 480 mW cm −3 ), and excellent cycling stability (~91% capacity retention after 30 000 cycles). Furthermore, our FZHSC demonstrates outstanding flexibility with capacitance almost unchanged even after various continuous shape deformations. The hydrogel electrolyte still maintains high ionic conductivity at ultralow temperatures (≤−30°C), enabling the FZHSC cycled well, and powering electronic timer robustly within an all‐climate temperature range of −30~80°C. This work highlights that the promising Zn metal‐free aqueous ZHSCs can be designed with great multifunctionality for more practical application scenarios.
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