近期，我校輕工科學與工程學院（柔性電子學院）陳詠梅教授團隊楊洋副教授課題組聚焦生物質(zhì)資源高值化利用，在生物質(zhì)基凝膠電解質(zhì)領(lǐng)域取得重要進展，相關(guān)成果在ACS Energy Letters、ACS Nano上發(fā)表。

近年來，對化石燃料資源的日益擔憂激發(fā)了對開發(fā)可用于先進電化學儲能設備的綠色、可再生材料的需求。生物質(zhì)材料具有獨特的層級結(jié)構(gòu)和物理化學性質(zhì)，可作為發(fā)展可持續(xù)能源的強有力的平臺，在超級電容器的凝膠電解質(zhì)中得到了廣泛的應用。在這篇綜述中，課題組概述了各種天然高分子的結(jié)構(gòu)和特性，討論了超級電容器的的儲能機制，并評估了用于超級電容器的凝膠電解質(zhì)的評價指標，著重分析了天然高分子材料在凝膠電解質(zhì)中發(fā)揮的作用。此外，還概述了用于超級電容器的天然高分子基水凝膠電解質(zhì)的最新電化學性能及其它多種功能，同時強調(diào)了當前的技術(shù)挑戰(zhàn)和潛在的解決方案。本文旨在全面綜述天然高分子基水凝膠電解質(zhì)的最新進展，重點介紹了有關(guān)綠色和可持續(xù)超級電容器的研究以及進一步發(fā)展的潛在路徑。相關(guān)成果以“Recent Advances in Biopolymer-Based Hydrogel Electrolytes for Flexible Supercapacitors”為題發(fā)表在《ACS Energy Letters》期刊上。

機械性能和離子傳輸性能是凝膠電解質(zhì)的核心性能指標，對其應用性能和穩(wěn)定性具有重要影響。尤其在水凝膠中，高含水量雖然能夠提供更好的離子傳輸通道，但卻往往導致機械強度顯著下降。與此同時，為了提高機械性能，通常需要增加水凝膠的交聯(lián)度，但過高的交聯(lián)程度會導致離子通道的縮小，從而影響其離子傳輸能力。這種“性能需求互斥”的現(xiàn)象使得在水凝膠電解質(zhì)的設計中，如何在保持較高機械強度的同時確保良好的離子傳導性成為一項極具挑戰(zhàn)的任務。為此，課題組研究了一種利用具有弱離子相互作用的層狀細菌纖維素網(wǎng)絡制備高強度、高離子導電的水凝膠（IBVA）的簡單方法。具體來說，具有高結(jié)晶度和機械強度的細菌纖維素（BC）膜被用作水凝膠基質(zhì)的堅固骨架。同時，引入具有“鹽溶”作用的陰離子（HCOO^-），調(diào)整聚合物的聚集狀態(tài)，使聚合物-離子-溶劑形成弱氫鍵相互作用，最終形成“硬-軟-硬”互鎖的層次結(jié)構(gòu)。該策略使水凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)105 ± 5 mS cm^-1的超高離子電導率，同時能夠滿足機械強度需求（0.78 MPa），優(yōu)于大多數(shù)報道的水凝膠電解質(zhì)。此外，IBVA作為超級電容器的電解質(zhì)，表現(xiàn)出良好的柔韌性、廣泛的溫度適應性、界面穩(wěn)定性和穩(wěn)定的電化學性能。相關(guān)研究成果以“Design of Hydrogel Electrolytes Using Strong Bacterial Cellulose with Weak Ionic Interactions”為題發(fā)表在《ACS Nano》期刊上。

(核稿：劉國棟 編輯：趙誠)