电解质解耦策略实现高工作电压与高能量密度的水系锌离子混合超级电容器

为解决水系锌离子混合超级电容器（AZIHSCs）因中性/酸性电解质限制工作电压和能量密度的问题，研究人员通过电解质解耦策略，设计了一种以KCl/KOH-ZnO为阴阳极电解液、MXene/Ag纳米复合膜为阴极的AZIHSCs。该器件实现了1.8 V的高工作电压、1.38 V的稳定放电平台及175 μWh cm?2 的能量密度，突破了传统水系储能设备的性能瓶颈，为下一代高电压储能器件开发提供了新思路。

　　

随着全球能源需求激增，水系电化学储能设备（AESDs）因成本低、安全性高和资源丰富成为研究热点。然而，传统水系超级电容器（ASCs）能量密度不足，而水系电池（ABs）又面临功率密度低和循环寿命短的问题。锌离子混合超级电容器（AZIHSCs）试图结合两者优势，但受限于中性/酸性电解质的窄电压窗口（通常<1.2 V）和锌负极的枝晶生长等问题，其实际应用面临挑战。

针对这一难题，国内研究人员在《Sustainable Chemistry for Energy Materials》发表了一项创新研究。团队提出通过电解质解耦策略，将阴极（MXene/Ag纳米复合膜）与阳极（锌箔）置于不同pH环境中：阴极采用KCl电解液激活Ag/AgCl氧化还原反应（0.2 V vs. Ag/AgCl），阳极采用KOH/ZnO电解液驱动Zn(OH)₄
^2?
/Zn转化反应（?1.26 V vs. SHE），两者通过阳离子交换膜隔离。这种设计不仅抑制了副反应，还将理论电压窗口扩展至1.8 V。

关键技术包括：1）MXene纳米片（Ti₃
C₂
T_x
）的LiF/HCl蚀刻法制备；2）AgNO₃
在MXene胶体中的原位自还原合成MX-NSs/Ag-NPs复合膜；3）基于三电极体系的电化学性能测试（CV/GCD）；4）以阳离子交换膜构建的电解液解耦器件组装。

3. 结果与讨论
3.1 材料设计与表征
通过SEM和XRD证实，Ag纳米颗粒均匀分布在MXene层间（图2c-d），其(111)晶面衍射峰与MXene的(002)峰共存。XPS显示Ag3d双峰（367.6/373.3 eV），验证了Ag?被MXene表面Ti原子还原为Ag纳米颗粒的机制（图S5）。这种结构既防止MXene片层堆叠，又提供了额外的赝电容活性位点。

3.2 电极电化学性能
在三电极体系中，MX-NSs/Ag-NPs电极在1 M KCl电解液中展现出913 mF cm^?2
的面积电容（图3d），远高于纯MXene电极。CV曲线中0.2/?0.2 V的氧化还原峰对应Ag?AgCl的可逆转化，而矩形部分反映双电层电容（EDLC）贡献（图3b）。

3.3 器件性能突破
组装的全电池在1 mA cm^?2
下实现389 mF cm^?2
电容和175 μWh cm^?2
能量密度（图4d），放电平台稳定在1.38 V（图4c）。自放电测试显示，初始电压1.8 V在30分钟后仍保持1.455 V（图4f），优于多数报道的MXene基AZIHSCs（图4h）。

4. 结论与意义
该研究通过电解液解耦策略和MXene/Ag纳米复合阴极设计，成功构建了高压AZIHSCs。其核心创新在于：1）利用Ag/AgCl与Zn(OH)₄
^2?
/Zn的互补电位拓宽电压窗口；2）阳离子交换膜实现酸碱电解液共存；3）MXene/Ag复合结构提升离子传输与电容性能。这项工作为开发兼具高能量/功率密度的水系储能器件提供了新范式，其可直接驱动小型电子设备（图4g）的特性，展现了产业化潜力。未来研究可进一步优化膜材料与界面稳定性，推动实际应用。