《Adv. Funct. Mater.》：3D打印双梯度凝胶电极协同调控离子传输与活性位点利用实现高能锌离子混合超级电容器

3D-Printed Dual-Gradient Gel Electrodes Synchronize Ion Transport and Active-Site Utilization for High-Energy Zinc-Ion Hybrid Supercapacitors

Jian Meng^#, Wenhui Tai^#, Tong Zhou^#, Mai Chen, Le Li*, and Tianxi Liu*

Advanced Functional Materials 2026, DOI: 10.1002/adfm.78804

随着可穿戴电子器件、柔性集成系统和微型智能设备的快速发展，高安全性、高能量输出和良好环境适应性的电化学储能器件受到广泛关注。水系锌离子混合超级电容器（ZHSCs）兼具超级电容器的高功率特性，以及锌金属负极理论容量高、资源丰富和安全性高等优势，在柔性与便携式储能领域展现出良好的应用前景。然而，要进一步提升ZHSCs的面能量输出，通常需要增加电极厚度和活性物质负载，而厚电极内部较长的离子传输路径以及沿厚度方向不均匀的离子供给，会造成明显的浓差极化和表面主导反应，使深层活性物质难以得到充分利用。现有梯度电极设计多侧重于改善离子传输通道，但对电极内部活性位点利用和局部反应分布的协同调控仍较为有限。因此，如何在高负载厚电极中协同优化离子传输与活性位点利用，是实现高面能量、高倍率和长寿命ZHSCs亟需解决的重要问题。

针对上述挑战，本课题组采用分步多墨水3D打印技术，构筑了MXene/PPy@CNT双梯度凝胶厚电极。该电极沿厚度方向同时构建微晶格间距梯度与丝内孔结构梯度：靠近电解液一侧具有较大的微晶格间距、更致密的丝材骨架和更高的比表面积，有利于电解液快速浸润和活性位点利用；靠近集流体一侧则具有较小的微晶格间距和更大的传输孔，有助于降低深层离子传输阻力，从而实现离子传输与活性位点利用的协同调控。μCT表征验证了双梯度三维结构的连续构筑，COMSOL模拟进一步表明，该设计能够有效减弱浓差极化并使电极厚度方向上的反应电流分布更加均匀。得益于上述双梯度结构优势，凝胶电极在电流密度提高40倍后仍保持71.1%的电容，并在15000次循环后保持98.8%的初始电容；进一步组装的软包型ZHSCs在42.7 mg cm^-2的高面负载量下实现6.2 F cm^-2的面电容和0.86 mWh cm^-2的面能量密度，同时表现出良好的柔性、低自放电特性和模块化集成能力。该研究建立了从电极结构、离子输运到局部电化学反应协同调控的厚电极设计思路，为高负载、高面能量柔性锌基储能器件的构筑提供了新的结构设计策略。

本论文第一作者为孟健博士，通讯作者为李乐副教授和刘天西教授。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78804