【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所王振洋研究員團(tuán)隊在高負(fù)載厚電極及鋅離子混合電容器研究方面取得新進(jìn)展。針對傳統(tǒng)厚電極在高負(fù)載條件下面臨的傳輸與穩(wěn)定性問題，研究團(tuán)隊提出順序激光工程策略，構(gòu)筑一體化階梯式功能梯度厚電極，實現(xiàn)厚電極內(nèi)部不同功能區(qū)域的空間協(xié)同調(diào)控。相關(guān)研究成果發(fā)表在Composites Part B: Engineering上。
 

　　鋅離子混合電容器兼具較高能量密度、快速充放電和本征安全等優(yōu)勢，在高功率儲能領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。面向更高容量和實用化需求，提高電極質(zhì)量負(fù)載成為關(guān)鍵策略，但由此導(dǎo)致的電極增厚也進(jìn)一步放大了傳輸動力學(xué)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的矛盾。因此，在高質(zhì)量負(fù)載條件下兼顧快速離子/電子傳輸與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是高性能厚電極設(shè)計的核心挑戰(zhàn)。
 

　　研究團(tuán)隊采用順序激光加工技術(shù)，在連續(xù)三維多孔石墨烯框架中依次構(gòu)筑了多孔石墨烯(LPG)、錳氧化物復(fù)合多孔石墨烯(LPG@MnOx)和富氧多孔石墨烯(LPG-O)功能區(qū)域，形成一體化階梯式功能梯度厚電極。其中，底層LPG(~125 μm)構(gòu)建連續(xù)石墨化導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，保障電子快速傳輸；中間LPG@MnOx區(qū)域(~315 μm)將MnOx原位嵌入三維多孔石墨烯骨架，作為主要氧化還原儲能區(qū)域，并通過互聯(lián)孔道提高電解液和溶劑化Zn2+的可達(dá)性；頂部LPG-O區(qū)域(~112 μm)形成親水多孔界面，改善電極潤濕、電解液滲透和離子輸運，并有助于減少Mn相關(guān)活性物種向體相電解液中的不可逆損失。
 

　　順序激光轉(zhuǎn)化使得不同功能區(qū)域在連續(xù)互聯(lián)的多孔碳框架中直接形成，既實現(xiàn)空間功能分區(qū)，又保持了厚度方向上的結(jié)構(gòu)與電學(xué)連續(xù)性。結(jié)構(gòu)表征顯示，各功能區(qū)域之間形成連續(xù)連接，激光一體化結(jié)構(gòu)的層間電阻約為22–24 Ω，遠(yuǎn)低于物理涂覆對照樣品的約70 Ω，有效降低層間電子傳輸阻力。三個功能區(qū)域在電子傳輸、離子輸運、氧化還原儲能和界面調(diào)控方面形成協(xié)同，為高負(fù)載厚電極中的傳輸動力學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供了新的調(diào)控路徑。
 

　　電化學(xué)測試結(jié)果表明，該厚電極在高負(fù)載下兼具高面容量和優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，面積電容達(dá)7.89 F cm-2，循環(huán)12,000次后仍保持93.6%；組裝器件能量密度達(dá)81.95 Wh kg-1，并在5.0 A g-1下循環(huán)15,000次后初始電容保持率仍為90.2%。
 

　　模擬計算表明，該功能梯度結(jié)構(gòu)能夠改善電解液在厚電極中的浸潤行為與液相離子傳輸，提升厚度方向上的離子可達(dá)性。循環(huán)后表征進(jìn)一步證實，頂部富氧多孔區(qū)域為遷移的Mn相關(guān)物種提供額外的空間保留區(qū)域，有效減少活性物種的不可逆損失，從而提升了厚電極在長期高倍率循環(huán)過程中的穩(wěn)定性。
 

　　該研究通過順序激光加工實現(xiàn)了厚電極內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能的一體化協(xié)同設(shè)計，在連續(xù)三維導(dǎo)電框架中實現(xiàn)電子傳輸、離子輸運、氧化還原儲能和界面調(diào)控等功能的空間分區(qū)與協(xié)同，為高負(fù)載厚電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力學(xué)調(diào)控提供了新思路，也為高面容量、高倍率、長壽命鋅離子混合電容器的構(gòu)筑提供了技術(shù)參考。
 

　　上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年科學(xué)家基礎(chǔ)研究項目等的支持。
 

　　引用：科學(xué)島團(tuán)隊在高倍率鋅離子混合電容器厚電極設(shè)計方面取得新進(jìn)展 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 【引用時間：2026年9月17日】