近期，我校輕工科學(xué)與工程學(xué)院（柔性電子學(xué)院）陳詠梅教授團(tuán)隊(duì)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(jìn)展，相關(guān)成果在ACS Energy Letters、ACS Nano上發(fā)表。
近年來(lái)，對(duì)化石燃料資源的日益擔(dān)憂激發(fā)了對(duì)開(kāi)發(fā)可用于先進(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備的綠色、可再生材料的需求。生物質(zhì)材料具有獨(dú)特的層級(jí)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，可作為發(fā)展可持續(xù)能源的強(qiáng)有力的平臺(tái)，在超級(jí)電容器的凝膠電解質(zhì)中得到了廣泛的應(yīng)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(jí)電容器的的儲(chǔ)能機(jī)制，并評(píng)估了用于超級(jí)電容器的凝膠電解質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，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(jí)電容器的天然高分子基水凝膠電解質(zhì)的最新電化學(xué)性能及其它多種功能，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了當(dāng)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(jìn)展，重點(diǎn)介紹了有關(guān)綠色和可持續(xù)超級(jí)電容器的研究以及進(jìn)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(jī)械性能和離子傳輸性能是凝膠電解質(zhì)的核心性能指標(biāo)，對(duì)其應(yīng)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(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度顯著下降。與此同時(shí)，為了提高機(jī)械性能，通常需要增加水凝膠的交聯(lián)度，但過(guò)高的交聯(lián)程度會(huì)導(dǎo)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(shè)計(jì)中，如何在保持較高機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)確保良好的離子傳導(dǎo)性成為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。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(xì)菌纖維素網(wǎng)絡(luò)制備高強(qiáng)度、高離子導(dǎo)電的水凝膠（IBVA）的簡(jiǎn)單方法。具體來(lái)說(shuō)，具有高結(jié)晶度和機(jī)械強(qiáng)度的細(xì)菌纖維素（BC）膜被用作水凝膠基質(zhì)的堅(jiān)固骨架。同時(shí)，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(dǎo)率，同時(shí)能夠滿足機(jī)械強(qiáng)度需求（0.78 MPa），優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的水凝膠電解質(zhì)。此外，IBVA作為超級(jí)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(yīng)性、界面穩(wěn)定性和穩(wěn)定的電化學(xué)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(guó)棟 編輯：趙誠(chéng))
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