Freeze‐Tolerant Hydrogel Electrolyte with High Strength for Stable Operation of Flexible Zinc‐Ion Hybrid Supercapacitors

材料科学 电解质 聚乙烯醇 羧甲基纤维素 乙二醇 离子电导率 化学工程 超级电容器 自愈水凝胶 极限抗拉强度 锌 电化学 乙烯醇 水溶液 复合材料 高分子化学 聚合物 化学 有机化学 冶金 电极 钠 物理化学 工程类
作者
Xiaoqing Zhu,Chenchen Ji,Qiangqiang Meng,Hongyu Mi,Qi Yang,Zixiao Li,Nianjun Yang,Jieshan Qiu
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:18 (16): e2200055-e2200055 被引量:199
标识
DOI:10.1002/smll.202200055
摘要

Abstract Constructing ionic conductive hydrogels with diversified properties is crucial for portable zinc‐ion hybrid supercapacitors (ZHSCs). Herein, a freeze‐tolerant hydrogel electrolyte (AF PVA‐CMC/Zn(CF3SO3)2) is developed by forming a semi‐interpenetrating anti‐freezing polyvinyl alcohol‐carboxymethyl cellulose (AF PVA‐CMC) network filled with the ethylene glycol (EG)‐containing Zn(CF3SO3)2 aqueous solution. The semi‐interpenetrating AF PVA‐CMC/Zn(CF3SO3)2 possesses enhanced mechanical properties, realizes the uniform zinc deposition, and impedes the dendrite growth. Notably, the interaction between PVA and EG suppresses the ice crystal formation and prevents freezing at −20 °C. Due to these advantages, the designed hydrogel owns high ionic conductivity of 1.73/0.75 S m−1 at 20/−20 °C with excellent tensile/compression strength at 20 °C. Impressively, the flexible AF quasi‐solid‐state ZHSC employing the hydrogel electrolyte achieves a superior energy density at 20/−20 °C (87.9/60.7 Wh kg−1). It maintains nearly 84.8% of the initial capacity after 10 000 cycles and a low self‐discharge rate (1.77 mV h−1) at 20 °C, together with great tolerance to corrosion. Moreover, this device demonstrates a stable electrochemical performance at −20 °C under deformation. The obtained results provide valuable insights for constructing durable hydrogel electrolytes in cold environments.
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