本网讯（材料科学与工程学院）近日，材料科学与工程学院胡海波教授课题组在锌基微型储能器件方向取得系列进展。相关研究成果分别以“Interlayer Injection of Low-Valence Zn Atoms to Activate MXene-Based Micro-Redox Capacitors With Battery-Type Voltage Plateaus”和“Thick-Network Electrode: Enabling Dual Working Voltage Plateaus of Zn-Ion Micro-Battery with Ultrahigh Areal Capacity”为题发表在材料学科顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。安徽大学材料科学与工程学院博士研究生曹志钱和吴玉东分别为各自工作第一作者，香港城市大学支春义教授、深圳理工大学梁国进研究员、安徽大学吴明在教授，为共同通讯作者，安徽大学为第一通讯单位。
受限于传统电极材料的非法拉第/表面法拉第电荷储存机制导致的线性电压-时间输出响应, 传统微型超级电容器(MSCs)表现出较差的功率输出稳定性和不足的能量密度。这些瓶颈问题严重削弱了MSCs作为微电子集成微电源的实用性。基于此，胡海波教授与支春义教授合作，提出了一种层间原子注入策略，将低价锌原子(Znδ+, 0<δ<2)锚定在MXene/银纳米线复合电极内的MXene纳米片的-O端基。结合聚丙烯酰胺/ZnCl2水凝胶电解质，对称电极之间的氧化还原对(Znδ +/Zn2+和Ag/AgCl)被激活，以提供额外的法拉第电荷存储，此外还有离子插层参与的赝电容。因此，获得的赝对称微氧化还原电容器 (PS-MRCs) 的放电曲线中出现了一个前所未有的电池型电压平台(≈0.9 V)，使器件的能量输出稳定性得到巨大改善(46%的输出能量来自平台区域)。该工作提供了一种全新的策略来克服传统MSCs 面临的能量输出不足且不稳定的性能瓶颈。
图1. 基于层间低价锌原子注入策略制备的赝对称微型氧化还原电容器的设计方案及储能机制示意。
水系锌离子微电池(AZMBs)是一种很有前途的高安全性微电源，可用于便携式微电子产品，但其广泛的商业应用极大地受限于其相对较低的面积容量。尽管研究人员提出了增加电极厚度的策略，但由于反应动力学缓慢、离子扩散速率慢和活性材料利用不足，性能提升有限。基于此，胡海波教授和合作者进一步提出了一种由紧密交织的一维二氧化锰纳米线(MnO2 NWs)、银纳米线(AgNWs)和碳纳米管(CNTs)组成的三维厚网电极技术。该技术很容易实现厚度达351 µm的电极，其多孔结构、高亲水性和快速电解质渗透共同促成了快速动力学。与锌金属阳极匹配，原型AZMBs器件获得了809 µAh cm-2/1951 µW cm-2的超高面容量/功率密度。此外，由于MnO2 NWs和AgNWs作为活性物质共同参与反应，AZMBs获得了双电压平台以进一步提高面能量密度，实现最大值896 µWh cm-2。该工作展示的支持双工作电压平台的3D厚网络电极设计策略为开发同时具有超高面容量和能量密度的AZMBs提供了一种新颖的技术路径。
图2. 不同类型的厚电极的结构设计和性能优势对比示意图。