微电子系统的发展（包括植入式医疗设备、集成电路、微芯片以及微机电系统如微型机器人、纳米发电机和纳米传感器等）对先进微型化储能器件提出了迫切需求。其中，水系微型超级电容器（MSCs）因其快速充放电速率、长循环寿命和高功率密度等特点成为极具前景的候选者。目前，高功率密度的MSCs已与太阳能电池、纳米发电机和传感器集成，开发出用于气体检测和人体生理信号/运动实时监测的自供电传感系统。尽管这些集成应用显著推动了MSCs领域的发展，但其有限的能量密度制约了微型设备的持续工作时间，阻碍了更广泛的应用。事实上，能量密度的计算公式表明提升工作电压对显著提高能量密度至关重要。
传统水凝胶电解质由于对水分子的调控不足，普遍存在保水性差和电化学窗口狭窄的问题，导致纯水系MSCs的工作电压受限（约1V）且能量密度低下。本研究提出一种聚合物辅助阳离子溶剂化限域策略，通过将水分子有效束缚在锂离子溶剂化鞘和聚（丙烯酰胺-丙烯酸羟丙酯）（PAM-HPA）共聚物网络中，同步提升了聚电解质的保水性能和电化学窗口。值得注意的是，不含任何有机添加剂的PAM-HPA聚电解质在室温空气中存放3.5个月后仍无水分蒸发。得益于对水分子的强束缚作用，基于活性炭的对称水系MSCs实现了2.5V的高工作电压和187.9 μWh cm-2的超高面能量密度。此外，PAM-HPA水凝胶电解质即使与低电压MXene微电极结合，也能维持超过2V的工作电压，同时具有显著的面能量密度和超长循环寿命。经60 ℃加热24小时后，基于PAM-HPA的MSCs仍保持近90%的容量，而对照组水凝胶电解质器件的容量几乎完全衰减。更突出的是，单个PAM-HPA基MSC可连续驱动计时器工作100分钟，并能轻松点亮31个红/黄/蓝/绿/白色LED。这项工作为同步提升水凝胶电解质的电化学窗口和保水能力提供了新策略，推动了具有超高工作电压/能量密度和增强安全性的微型储能器件发展。相关成果以“Non-drying hydrogel polyelectrolytes via polymer-assisted cation solvation-confinement toward H2O for ultrahigh-voltage aqueous micro-supercapacitors”为题，在国际高水平期刊Advanced Materials上发表研究性论文。郑州大学化工学院为第一单位，靳绪庭副研究员为论文第一作者，宋丽老师为论文共同第一作者兼通讯作者，刘峰副研究员、曲良体教授和周震教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、河南省自然科学基金以及中国博士后科学基金等项目的支持。
高电压纯水系微型储能器件
文章链接: https://doi.org/10.1002/adma.202509050
中心的相关作者简介：
靳绪庭（第一作者）现为郑州大学化工学院直聘研究员/副研究员，博士毕业于北京理工大学化学与化工学院，师从曲良体教授。于2022年8月入职郑州大学化工学院周震教授团队，主要从事水凝胶电解质的设计与水系锌基电池/微型储能器件的相关方面的研究。先后主持国自然科学基金面上项目、国自然科学基金青年项目、河南省优秀青年基金项目等。目前以一作或通讯在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. (2篇)、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等发表学术论文15篇。
宋丽（共一和通讯作者）现为郑州大学河南先进技术研究院直聘副研究员，博士毕业于天津大学材料学院，2019年-2022年在北京理工大学从事博士后研究，合作导师曲良体教授。于2023年5月入职郑州大学先进技术研究院，主要从事水系锌基电池、超级电容器、微型储能器件的研究。目前以一作或通讯在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.等发表多篇SCI学术论文。
周震（通讯作者），郑州大学化工学院院长、长江学者、享受国务院政府特殊津贴专家。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究，通过高通量计算、实验与机器学习相结合设计可再生能源存储与转化材料与系统。以通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊上发表论文350余篇，被引48000余次，h-index为123。2014-2023年连续11年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2024年连续七年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journal of Materials Chemistry A和Green Energy & Environment等期刊副主编、Journal of Power Sources编辑以及Batteries & Supercaps和《过程工程学报》等期刊编委，中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员、中国自然资源学会资源循环利用专业委员会委员和河南省委决策咨询委员会委员。
