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A safe and robust dual-network hydrogel electrolyte coupled with multi-heteroatom doped carbon nanosheets for flexible quasi-solid-state zinc ion hybrid supercapacitors
Nanoscale ( IF 5.8 ) Pub Date : 2021-08-27 , DOI: 10.1039/d1nr02826j Dandan Wu 1 , Chenchen Ji 1, 2 , Hongyu Mi 1, 2 , Fengjiao Guo 1 , Haonan Cui 1 , Pengtao Qiu 3 , Nianjun Yang 4
Nanoscale ( IF 5.8 ) Pub Date : 2021-08-27 , DOI: 10.1039/d1nr02826j Dandan Wu 1 , Chenchen Ji 1, 2 , Hongyu Mi 1, 2 , Fengjiao Guo 1 , Haonan Cui 1 , Pengtao Qiu 3 , Nianjun Yang 4
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Aqueous zinc ion hybrid supercapacitors (ZHSCs) are receiving increasing research interest because of their superiority in safety, economy, and high water compatibility. However, the corrosion problems coupled with dendrite growth in an aqueous system severely limit the potential use of zinc storage systems with long service life. To delicately address the above obstacles, a κ-carrageenan/polyacrylamide/Zn(CF3SO3)2 hydrogel electrolyte (denoted as κ-CG/PAAm/Zn(CF3SO3)2) with an ionically and covalently double crosslinked network was constructed, which possesses a high ionic conductivity of 2.3 S m−1, a high tensile strength of 34.6 kPa with a superior stretchability of 599.0%, and an excellent compression strength of 75.3 kPa at 75.0% strain. The double crosslinked polymer chains realize uniform zinc deposition. In addition, the intrinsic hydrophilic groups in the κ-carrageenan (κ-CG) and polyacrylamide (PAAm) chains can well immobilize water molecules, which favor electrolyte ion transport. Moreover, nitrogen and sulphur co-doped carbon nanosheets (denoted as ACNS) characterized by the rich amorphous phase associated with lots of short-range ordered microcrystalline regions were prepared as the cathode material in this work, which exhibits a high capacity of 116.4 mA h g−1 coupled with superior rate performance and long-term cycling stability (108.0% capacity retention over 10 000 cycles) for an aqueous Zn//ACNS ZHSC. A quasi-solid-state ZHSC based on ACNS and κ-CG/PAAm/Zn(CF3SO3)2 exhibits a specific capacity of 100.5 mA h g−1 at 0.25 A g−1 with a high capacity retention of 50.8% at 20 A g−1. The as-fabricated ZHSC also shows excellent cycling stability of 10 000 cycles as well as a superior energy density of 86.5 W h kg−1 at a power density of 215.3 W kg−1. The ZHSC can also be used as a reliable source to drive various kinds of electronics (e.g., mobile phones and electronic timers), which uncovers a feasible strategy for engineering the high-performance hydrogel electrolytes and cathode materials for ZHSC applications.
中文翻译：
一种安全可靠的双网络水凝胶电解质与多杂原子掺杂的碳纳米片相结合，用于柔性准固态锌离子混合超级电容器
水性锌离子混合超级电容器（ZHSC）因其在安全性、经济性和高水相容性方面的优势而受到越来越多的研究兴趣。然而，腐蚀问题与水系统中枝晶生长相结合严重限制了具有长使用寿命的锌储存系统的潜在用途。为了巧妙地解决上述障碍，具有离子和共价双交联网络的κ-角叉菜胶/聚丙烯酰胺/Zn(CF 3 SO 3 ) 2水凝胶电解质（表示为κ-CG/PAAm/Zn(CF 3 SO 3 ) 2）构建了具有 2.3 S m -1的高离子电导率，具有 34.6 kPa 的高拉伸强度和 599.0% 的优异拉伸性，以及在 75.0% 应变下的 75.3 kPa 优异压缩强度。双交联聚合物链实现均匀的锌沉积。此外，κ-角叉菜胶（κ-CG）和聚丙烯酰胺（PAAm）链中固有的亲水基团可以很好地固定水分子，有利于电解质离子的传输。此外，在这项工作中制备了具有丰富的非晶相和大量短程有序微晶区域的氮和硫共掺杂碳纳米片（表示为 ACNS）作为正极材料，其具有 116.4 mA hg 的高容量−1结合水性 Zn//ACNS ZHSC 的优异倍率性能和长期循环稳定性（10000 次循环后容量保持率为 108.0%）。基于 ACNS 和 κ-CG/PAAm/Zn(CF 3 SO 3 ) 2的准固态 ZHSC在 0.25 A g -1 下表现出 100.5 mA hg -1的比容量和 50.8% 的高容量保持率20 A g -1。制造的 ZHSC 还显示出 10 000 次循环的优异循环稳定性以及在 215.3 W kg -1的功率密度下的 86.5 W h kg -1的优异能量密度。ZHSC 还可用作驱动各种电子设备（例如、手机和电子计时器），揭示了一种可行的策略，可以为 ZHSC 应用设计高性能水凝胶电解质和阴极材料。
更新日期：2021-09-14
中文翻译：
一种安全可靠的双网络水凝胶电解质与多杂原子掺杂的碳纳米片相结合，用于柔性准固态锌离子混合超级电容器
水性锌离子混合超级电容器（ZHSC）因其在安全性、经济性和高水相容性方面的优势而受到越来越多的研究兴趣。然而，腐蚀问题与水系统中枝晶生长相结合严重限制了具有长使用寿命的锌储存系统的潜在用途。为了巧妙地解决上述障碍，具有离子和共价双交联网络的κ-角叉菜胶/聚丙烯酰胺/Zn(CF 3 SO 3 ) 2水凝胶电解质（表示为κ-CG/PAAm/Zn(CF 3 SO 3 ) 2）构建了具有 2.3 S m -1的高离子电导率，具有 34.6 kPa 的高拉伸强度和 599.0% 的优异拉伸性，以及在 75.0% 应变下的 75.3 kPa 优异压缩强度。双交联聚合物链实现均匀的锌沉积。此外，κ-角叉菜胶（κ-CG）和聚丙烯酰胺（PAAm）链中固有的亲水基团可以很好地固定水分子，有利于电解质离子的传输。此外，在这项工作中制备了具有丰富的非晶相和大量短程有序微晶区域的氮和硫共掺杂碳纳米片（表示为 ACNS）作为正极材料，其具有 116.4 mA hg 的高容量−1结合水性 Zn//ACNS ZHSC 的优异倍率性能和长期循环稳定性（10000 次循环后容量保持率为 108.0%）。基于 ACNS 和 κ-CG/PAAm/Zn(CF 3 SO 3 ) 2的准固态 ZHSC在 0.25 A g -1 下表现出 100.5 mA hg -1的比容量和 50.8% 的高容量保持率20 A g -1。制造的 ZHSC 还显示出 10 000 次循环的优异循环稳定性以及在 215.3 W kg -1的功率密度下的 86.5 W h kg -1的优异能量密度。ZHSC 还可用作驱动各种电子设备（例如、手机和电子计时器），揭示了一种可行的策略，可以为 ZHSC 应用设计高性能水凝胶电解质和阴极材料。
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