聚苯胺-二氧化锆纳米复合一体式水凝胶提升赝电容器性能的创新研究

为解决柔性超级电容器中界面接触电阻和电极材料脱落导致的性能下降问题，研究人员通过原位聚合苯胺和二氧化锆（ZrO2）纳米复合材料于自修复天然橡胶水凝胶电解质表面，开发了一种一体化超级电容器。该器件在0.5 mA/cm2电流密度下实现最高47.62 mF/cm2的面电容，能量密度达144.67 μWh/cm2，且具备61.84%的高电流密度保持率，为可穿戴设备提供了高性能储能解决方案。

　　

随着全球能源需求激增和化石燃料的枯竭，柔性超级电容器因其高功率密度和快速充放电特性成为研究热点。然而，传统设计存在电极-电解质界面接触电阻大、活性材料易脱落等瓶颈，严重影响器件性能。马来西亚大学离子研究中心（Centre for Ionics Universiti Malaya）的Fathiah Kamarulazam团队创新性地将二氧化锆（ZrO₂）纳米颗粒引入聚苯胺（PANI）基质，通过原位聚合技术在天然橡胶基自修复水凝胶表面构建了一体化超级电容器，相关成果发表于《Journal of Energy Storage》。

研究采用原位化学氧化聚合法将PANI-ZrO₂纳米复合材料直接生长于预制的S48型水凝胶电解质（含48小时Na₂SO₄浸泡处理）表面，通过场发射扫描电镜（FESEM）和能量色散X射线光谱（EDX）表征材料形貌，并采用恒电流充放电测试评估电化学性能。

材料与方法
研究以环氧天然橡胶（ENR-25）为基底，与丙烯酰胺（AAm）、丙烯酸（AA）共聚形成三维网络结构，经戊二醛（GA）交联后浸入Na₂SO₄溶液制备水凝胶电解质。通过调控ZrO₂含量（0-0.3 wt%）制备PZ0、PZ1、PZ3三种复合材料。

FESEM-EDX分析
电镜显示ZrO₂呈不规则团聚态（图2d(i)），而PZ3样品中纳米颗粒均匀分散于PANI纤维网络（图2c(i)），EDX证实Zr元素成功掺入（图2c(iii)）。这种结构增大了电极-电解质接触面积，缩短了离子扩散路径。

电化学性能
含0.3 wt% ZrO₂的PZ3表现出最优性能：在0.5 mA/cm²电流密度下，面电容达47.62 mF/cm²，较未掺杂样品（PZ0）提升30%；能量密度144.67 μWh/cm²（0.5 mA/cm²）和功率密度1345.10 μW/cm²（1 mA/cm²）均创同类器件新高。即使在1 mA/cm²高电流下仍保持61.84%的初始电容，归因于ZrO₂促进的氧化还原反应（Faradaic reaction）和PANI的三种氧化态协同作用。

结论与意义
该研究首次将ZrO₂/PANI纳米复合材料与天然橡胶水凝胶结合，创制出兼具高能量密度和机械柔性的自修复超级电容器。ZrO₂的引入不仅通过氧空位增强赝电容效应，还改善了PANI的循环稳定性。这种一体化设计消除了传统器件中的界面阻抗问题，为可穿戴电子和柔性储能设备提供了新思路，其简易的原位聚合工艺更具产业化潜力。