超级电容器凭借充电速度快、循环寿命长和安全性高等优势，已成为重要的电化学储能器件之一，尤其是基于凝胶电解质的柔性超级电容器，在可穿戴电子领域展现出广阔的应用前景。然而，超级电容器始终面临一个关键挑战，由其固有的电荷表面吸附或氧化还原储能机制所带来的快速自放电问题，严重制约了其容量保持能力及实际应用。陈涛教授团队在基于聚阴/阳离子双层异质凝胶电解质（BHP）的超级电容器中，发现器件的自放电行为随着凝胶电解质中含水量的变化，表现出异常的反转现象。通过巧妙的多层级界面结构设计与理论模拟，揭示了该自放电反转行为的内在机制。

图1 基于BHP的超级电容器的结构及工作原理示意图。

BHP凝胶电解质由聚阳离子型水凝胶（聚二烯基二甲基氯化铵/聚丙烯酰胺）和聚阴离子水凝胶（聚苯乙烯磺酸钠/聚丙烯酰胺）组成。研究发现，当BHP凝胶电解质含水量较高时（≥73 wt%），以聚阳离子侧的电极为正极对器件进行充电时，器件表现出更长的自放电时间；而在BHP电解质含水量较低时（≤54 wt%），这一行为发生反转，即以聚阳离子侧电极为负极对器件进行充电后，自放电时间反而更长；凝胶电解质中水含量在中间状态（58-66 wt%）时则处于过渡状态，两种充电方式的自放电时长接近。

图2 电解质/电解质界面与电极/电解质界面对离子扩散的协同竞争作用。

通过在超级电容器构筑多层凝胶电解质，验证了电解质/电解质界面处所形成的内建电场、电极/电解质界面处聚电解质与吸附在电极上的离子之间的相互作用，对器件自放电行为的影响规律和机制。研究揭示：凝胶电解质含水量的变化会改变离子在上述两类界面处的扩散动力学及其相对作用，进而改变两种界面对自放电过程的主导程度，使器件的自放电行为随凝胶电解质中含水量变化发生反转。研究团队进一步构建了以赝电容材料聚苯胺为电极的BHP凝胶电解质基超级电容器，也观察到类似的自放电现象，论证了该内在机制普遍存在与双电层材料和赝电容材料中。相关研究为超级电容器自放电速率的调控、及长续航能力的柔性超级电容器的发展提供了重要理论依据和实践支撑。

相关成果以“Reversible self-discharge behavior and its intrinsic mechanism in supercapacitors based on bilayer heterogeneous hydrogel electrolytes”为题发表于Chemical Science上。陈涛教授为论文的独立通讯作者，我院博士研究生严泽丰为论文的第一作者。研究工作得到国家自然科学基金项目、中央高校基本科研业务费的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1039/d6sc06329b