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Facile Design of Multiscale Cellulose‐Enhanced Hydrogel Electrolytes for Flexible Zn‐Ion Capacitors in Wearable Electronics

纤维素 电解质 电容器 材料科学 数码产品 可穿戴计算机 柔性电子器件 可穿戴技术 纳米技术 化学工程 计算机科学 电极 化学 电气工程 工程类 电压 嵌入式系统 物理化学
作者
Hong Wang,Yutao Wang,Pang Yao,Yuxing Wang,Chenhuan Lai,Daihui Zhang,Yupeng Liu
出处
期刊:Macromolecular Rapid Communications [Wiley]
被引量:1
标识
DOI:10.1002/marc.202500295
摘要

Flexible solid-state supercapacitors show significant potential for wearable electronics; however, achieving simultaneous mechanical robustness and high ionic conductivity remains challenging. In this work, a polyacrylamide (PAM)/cellulose nanocrystal (CNC)-based hydrogel electrolyte loading with carboxymethyl cellulose (CMC) is engineered to address this limitation (PAM/CNC-CMC-Zn2+). Incorporating CNC improved the mechanical properties of hydrogels, while subsequently adding CMC-Na enriched with hydrophilic groups (─OH and ─COO-) into PAM/CNC hydrogels disrupted hydrogen-bond networks within the ZnSO4 electrolyte, thereby optimizing Zn2+ solvation sheath structure. This modification suppressed corrosion currents and minimized side reactions. The hydrogel demonstrated outstanding mechanical properties, including a tensile strength of 0.22 MPa, high stretchability (1452.1%), and remarkable fracture toughness (0.98 MJ m-3). The zinc-ion capacitors (Zn // PAM/CNC-CMC-Zn2+ // AC) demonstrate exceptional electrochemical performance, achieving a significant specific capacitance of 151.4 F g⁻¹ at 0.5 A g⁻¹, coupled with a remarkable power density of 1150 W kg⁻¹ (at 10.9 Wh kg⁻¹). Notably, the device exhibits outstanding performance stability, maintaining its functionality under mechanical folding and retaining its efficiency after 10 000 long charge-discharge cycles. These multiscale cellulose-based design highlights the hydrogel electrolyte's dual functionality in balancing mechanical adaptability and electrochemical efficiency, offering a potential solution for next-generation wearable energy storage systems.
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