华南理工《Adv Sci》：PPy/石墨烯-AM复合材料，可实现高性能柔性准固态锌离子微型超级电容器

成果简介

严重的锌枝晶生长和碳基阴极性能不足是阻碍柔性锌离子微型超级电容器（FZCs）实际应用的两个关键问题。本文，华南理工大学袁伟教授与中国科学院大连化学物理研究所研究员罗丹研究员、滑铁卢大学Zhongwei Chen、Aiping Yu等研究人员在《ADVANCED SCIENCE》期刊发表名为”Conformal Engineering of Both Electrodes Toward High-Performance Flexible Quasi-Solid-State Zn-Ion Micro-Supercapacitors”的论文，研究提出了阴极和阳极同步改进的自适应电极设计理念，以提高 FZCs 的整体性能。在阴极侧掺杂抗膨胀氧化石墨烯和丙烯酰胺的聚吡咯（PPy/GO-AM）可表现出显著的电化学性能，包括良好的电容和循环稳定性，以及优异的机械性能。

同时，在阳极侧的锌表面自组装了一层含有还原氧化石墨烯和聚丙烯酰胺的坚固聚合物保护层（rGO/PAM@Zn），从而有效缓解了锌小突起的 “尖端效应”，均匀了锌离子分布，并限制了枝晶的生长。得益于这些优势，FZC 在 1 mA cm-2 电流条件下具有 125 mF cm^-2 （125 F cm-³）的出色比电容，最大能量密度为 44.4 µWh cm-²，并且具有出色的长期耐久性，在 5000 次循环后仍能保持 90.3% 的电容。这种共形电极设计策略同时解决了锌阳极和电容型阴极所面临的挑战，相信会对高性能平面内柔性锌基电化学储能器件（EESD）的实际设计有所启发。

图文导读

图1、使用优化电极制造 FZC 的示意图

图2、a) PPy/GO 的电沉积示意图。b) PPy（上图）和 PPy/GO-AM（下图）的润湿性和扫描电镜图像。c) PPy/GO-AM 在 10-50 mV^s-1 扫描速率下的 CV 曲线。g) PPy/GO-AM 在不同电流密度下的 GCD 曲线。h) PPy、PPy/GO 和 PPy/GO-AM 的 EIS 图以及等效电路模型。i) 扫描速率为 50 mV^s-1时的循环性能。

图3、a) GO 的还原和 AM 的聚合示意图。b) 来自 rGO 的未配对电子与乙烯基单体的π 键发生反应。c) 带有 rGO/PAM 保护层的 Zn 薄膜在弯曲状态下的照片。f) GO 和 rGO 的 EPR 信号。g) 纯Zn 和 rGO/PAM@Zn 的傅立叶变换红外光谱。h) rGO/PAM@Zn 的 SEM 图像（截面图）和 i) 相应的放大图像。

图4、rGO/PAM@Zn阳极的电化学性能

图5. FZCs的性能

小结

综上所述，本文开发出了一种可行的电极设计策略，通过保形工程同步改进阴极和阳极，从而实现高性能 FZC。我们采用掩膜辅助干法转移技术，在 PET 基底上粘附了具有相互咬合图案的平面 GCC 层。在阴极的制造过程中，掺杂的 PPy/GO-AM 复合材料在柔性基底上进行了电沉积，具有出色的循环性和柔韧性。值得注意的是，rGO/PAM 保护聚合物层同时在 Zn 表面自组装和自适应，以提高阳极的稳定性。在 1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2 的条件下，可逆锌在 1000 小时内表现出了出色的循环能力。与其他已报道的微型超级电容器相比，使用这两种优化电极获得的 FZC 具有优异的电化学和机械性能，包括高电容、卓越的能量/功率密度、良好的循环性和弯曲灵活性。本文介绍的这种新型制造工艺为制造掺杂电容阴极和可逆锌阳极提供了新的思路，可用于制造高性能面内柔性锌基 EESD。

文献：https://doi.org/10.1002/advs.202308021