超级电容器因其高功率密度和快速充放电能力，成为备受关注的储能装置。然而，高能量和功率密度要求电极材料具备高质量负载，这在实际应用中至关重要。商业电容器的质量负荷通常约为10 mg/cm²，但很多研究却忽略了这一点。尽管许多电极材料在低质量负载和低电流密度下表现出优异的比电容，但这些完全无法满足实际应用中的需求。因此，同时实现高质量负载和优越的倍率能力，以及高比电容，是一项极具挑战性的任务。

针对这一挑战，海南大学巫继锋和高艳安团队与厦门大学白华教授团队合作，设计了一种纯聚苯胺水凝胶（PPH）电极材料。该材料通过冰模板策略生成独特的辐射多孔状结构，实现了高效的电子传递和电解质扩散，成功桥接了超高质量负载和优越的速率能力这两个相互排斥的特性。PPH在43.2 mg/cm²的高质量负载下，实现了17.1 F/cm²的面积电容（在500 mA/cm²下）和优异的倍率性能（在20至500 mA/cm²间保持约94%的电容）。这项研究展示了多孔纳米结构在提高电极材料性能方面的潜力，并能激发其他具有超高负载和快速充放电能力的赝电容电极材料的发展。

该研究以题为“A robust polyaniline hydrogel electrode enables superior rate capability at ultrahigh mass loadings”的论文发表在《Nature Communications》上。文章第一作者是海南大学化学工程与技术学院2021级硕士生李璐和2019级硕士生艾智婷。

图1 PPH的制备流程、实物图及流变学性能。

制备流程（图1a）

1.快速混合苯胺单体与氧化剂，并通过摇动和超声确保均匀混合。

2.快速浸入液氮中，使模具外部冻结，随后在-20℃下原位聚合生凝胶。

3.室温透析得到坚固的PPH。

可控形状（图1b-f）

1.通过控制模具大小和形状，可以一步制备各种形状的PPH，如星星、猫爪和圆柱体，表现出优异的机械强度和可加工性。

2.PPH能支撑100 g重量而不坍塌（图1e），表现出优异的自支撑性能（图1g-h）。

图2 PPH的形态学模型及微观形貌结构图。

形貌分析（图2）

PPH材料在低温下形成径向中心发射状截面，并在冻干后保持其形状。SEM图像显示，聚苯胺多孔片呈层状排列，通道宽度为5-30 μm，孔隙在50-100 nm之间，多孔片层间空间范围为0.1-3 μm，显示出高度多孔的结构。

图3 PPH电极的电容性能：PPH-6.0（黑色）、PPH-13.0（红色）、PPH-23.8（绿色）和PPH-43.2（蓝色）。

电化学性能分析（图3-4）

在不同质量负载下，PPH电极表现出线性增加的面积电容，且在43.2 mg/cm²时达到最大值。同时，PPH电极在不同电流密度下保持极高的速率能力，在20至500 mA/cm²的电流密度下，PPH-6.0（黑色）、PPH-13.0（红色）、PPH-23.8（绿色）和PPH-43.2（蓝色）的电容保留率分别为98%、96%、96%和94%。同时PPH-43.2电极材料的电化学性能超过了以往报道的导电聚合物电极（图3e-f）。

图4 PPH中的快速电子转移和快速电解质扩散的示意图。

结论

通过冰模板策略，作者成功制备了一种质量负载远超商业水平的高效纯聚苯胺电极材料，展示了设计多孔纳米结构以提高电极材料性能的巨大潜力，并激发了其他高负载、快速充放电能力的赝电容电极材料的发展。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50831-x