近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所王振洋研究员团队在高负载厚电极及锌离子混合电容器研究方面取得新进展。针对传统厚电极在高负载条件下面临的传输与稳定性问题，研究团队提出顺序激光工程策略，构筑一体化阶梯式功能梯度厚电极，实现厚电极内部不同功能区域的空间协同调控。相关研究成果以“Laser-engineered monolithic thick functionally graded cathodes for high-rate zinc-ion hybrid capacitors”为题，发表在 Composites Part B: Engineering （Compos. Part B: Eng., 327, 114171(2026)）上。

锌离子混合电容器兼具较高能量密度、快速充放电和本征安全等优势，在高功率储能领域具有重要应用潜力。面向更高容量和实用化需求，提高电极质量负载成为关键策略，但由此导致的电极增厚也进一步放大了传输动力学与结构稳定性之间的矛盾。因此，在高质量负载条件下兼顾快速离子/电子传输与结构稳定性，是高性能厚电极设计的核心挑战。

鉴于此，研究团队采用顺序激光加工技术，在连续三维多孔石墨烯框架中依次构筑了多孔石墨烯（LPG）、锰氧化物复合多孔石墨烯（LPG@MnO_x）和富氧多孔石墨烯（LPG-O）功能区域，形成一体化阶梯式功能梯度厚电极。其中，底层LPG（~125 μm）构建连续石墨化导电网络，保障电子快速传输；中间LPG@MnO_x 区域（~315 μm）将MnO_x原位嵌入三维多孔石墨烯骨架，作为主要氧化还原储能区域，并通过互联孔道提高电解液和溶剂化Zn²⁺的可达性；顶部LPG-O区域（~112 μm）形成亲水多孔界面，改善电极润湿、电解液渗透和离子输运，并有助于减少Mn相关活性物种向体相电解液中的不可逆损失。

顺序激光转化使得不同功能区域在连续互联的多孔碳框架中直接形成，既实现空间功能分区，又保持了厚度方向上的结构与电学连续性。结构表征显示，各功能区域之间形成连续连接，激光一体化结构的层间电阻约为22–24 Ω，远低于物理涂覆对照样品的约70 Ω，有效降低层间电子传输阻力。三个功能区域在电子传输、离子输运、氧化还原储能和界面调控方面形成协同，为高负载厚电极中的传输动力学和结构稳定性提供了新的调控路径。

电化学测试结果表明，该厚电极在高负载下兼具高面容量和优异循环稳定性，面积电容达7.89 F cm^-2，循环12,000次后仍保持93.6%；组装器件能量密度达81.95 Wh kg^-1，并在5.0 A g^-1下循环15,000次后初始电容保持率仍为90.2%。

模拟计算表明，该功能梯度结构能够改善电解液在厚电极中的浸润行为与液相离子传输，提升厚度方向上的离子可达性。循环后表征进一步证实，顶部富氧多孔区域为迁移的Mn相关物种提供额外的空间保留区域，有效减少活性物种的不可逆损失，从而提升了厚电极在长期高倍率循环过程中的稳定性。

该研究通过顺序激光加工实现了厚电极内部结构与功能的一体化协同设计，在连续三维导电框架中实现电子传输、离子输运、氧化还原储能和界面调控等功能的空间分区与协同，为高负载厚电极的结构设计和动力学调控提供了新思路，也为高面容量、高倍率、长寿命锌离子混合电容器的构筑提供了技术参考。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年科学家基础研究项目等资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2026.114171

图1. 阶梯式功能梯度厚电极LPG/LPG@MnO_x/LPG-O的结构示意图。

图2. 阶梯式功能梯度厚电极LPG/LPG@MnO_x/LPG-O各层的微观形貌。

图3. LPG/LPG@MnO_x/LPG与LPG/LPG@MnO_x/LPG-O电极中电解液渗透过程模拟结果对比。

图4. 阶梯式功能梯度厚电极LPG/LPG@MnO_x/LPG-O组装的ZHC器件的电化学性能。