香港城市大学支春义教授与哈工大黄燕教授、魏军教授Adv Sci: 一种可自愈合的无折痕超分子全聚合物超级电容器

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文章信息

一种可自愈合的无折痕超分子全聚合物超级电容器

第一作者：莫富年

通讯作者：黄燕*，魏军*，支春义*

单位：哈尔滨工业大学（深圳），香港城市大学

研究背景

随着柔性可穿戴电子产品的快速发展，对柔性储能器件的机械性能要求越来越高。在实际应用中，设备的机械可靠性与其储能性能同等重要，因为不可逆的结构变形和损伤会导致严重的电化学性能衰退。传统的三层结构超级电容器在强形变状态下，弯折处区应力较为集中，容易造成层间滑移、折痕形成和电极-电解质界面分层等结构问题。

柔性储能器件在长期使用过程中难免会出现损坏的情况，如断裂和切割。自愈合被公认为提高耐用性的一种有效策略，即自愈合超电容在遭受物理损伤，可自发地恢复其机械结构和电容性能。传统的本征自发性的自愈合超电容一般基于不同愈合机理的聚电解质（如氢键、金属离子键、，π-π 共轭或酯键等）。然而，在这些基于非共价键愈合的材料，其最大断裂/愈合次数和愈合强度仍难以满足实际使用需求。另外，传统自愈合超电容的电极一般不具备本征自愈合性，通常需要借助外部可愈层，导致能量密度和效率降低。在零度以下工作时，水凝胶电解质的水溶液容易冻结，大大降低了器件的可靠性，目前关于既具有自愈合性又具有抗冻性能的聚合物材料仍很少受到重视。

文章简介

基于此，香港城市大学支春义教授与哈尔滨工业大学（深圳）黄燕教授、魏军教授合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“A Self-Healing Crease-Free Supramolecular All-Polymer Supercapacitor”的文章。

该文章报道了一种基于超分子水凝胶的高可靠性的一体化超级电容器，不同于层压的传统超电容的多层结构，该一体化超电容所有的组分都被整合成一个单一的超分子水凝胶膜。通过光引发自由基聚合和基于𝛽-环糊精与丝素蛋白上氨基酸分子间的主客体分子共轭链的超分子自组装，合成了自支撑的高韧性水凝胶电解质，并实现了基于主客体配位超分子化学的自愈合性能。

图1. 基于主客体配位化学的自愈合超分子全聚合物超电容。

本文要点

要点一：一体化全聚合物超级电容器

超分子水凝胶电解质包含两种基于𝛽-环糊精的主客体配位复合物，具有良好的自愈合特性。𝛽-环糊精通过席夫碱反应分别偶联到丝素蛋白和聚丙烯酸酯（PAA）分子链上，并通过嫁接的𝛽-环糊精与丝素蛋白上相邻氨基酸分子之间的主客体相互作用形成稳定的复合物从而自组装构建超分子水凝胶。此外，聚吡咯（PPy）通过大量的氢键结合以及与丝素蛋白链的芳香族氨基酸残基的共价相互作用而被整合到超分子水凝胶电解质中，用作弹性电极，其具有高的面电容和体积能密度。

要点二：兼具自愈合性能和低温防冻性能

该全聚合物超级电容器即使在经过30次切割/修复循环后仍可达到约95.8％的优异的自愈合效率。非层压的构型可有效避免在不同形变状态下的层间滑移和分层，而弹性的PPy电极可防止折痕的形成。全弹性超级电容器可提供0.37 F cm-2的面电容和0.082 mW h cm-3的体积能量密度，即使在-20 °C工作时，也能很好地保持比电容，经过5次切割/愈合周期后容量保留率达85.2％以上。

原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202100072

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