超級電容器（SC）由于具有高功率密度、快速充放電能力以及較長的循環(huán)壽命等優(yōu)點，在儲能方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。然而，傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)存在諸多缺陷，如溶劑有毒有害、集成困難、電解液泄漏風(fēng)險高、易燃和無法回收等。相比之下，聚合物凝膠電解質(zhì)（GPE）具有安全性高、柔性好和不易泄露等優(yōu)勢，被認(rèn)為是傳統(tǒng)液體電解質(zhì)的理想替代品。此外，從可持續(xù)的角度來看，殼聚糖是僅次于纖維素的第二豐富的天然聚合物，其結(jié)構(gòu)上具有大量的衍生化和功能化反應(yīng)位點，使其在設(shè)計和制備用于儲能裝置的GPE上具有巨大的潛力。因此，基于分子水平考慮，設(shè)計并制備一種具有較高的柔韌性、高電化學(xué)性能和高循環(huán)穩(wěn)定性的可回收且阻燃的功能化殼聚糖基凝膠電解質(zhì)，勢在必行但也面臨巨大的挑戰(zhàn)。
近日，貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院謝海波教授課題組在國際知名期刊《Green Chemistry》（影響因子：9.8）發(fā)表重要研究成果“Engineering Chitosan to a Recyclable and Flame-resistant Gel Electrolyte via a Dual Cross-linked Strategy for
Flexible Supercapacitors”, (DOI:10.1016/ D3GC04263D.)，2021級碩士研究生許明偉為論文第一作者，通訊作者為謝海波教授，黃俊特聘教授。該工作基于殼聚糖的結(jié)構(gòu)特點，利用乙酰丙酸（LA）作為質(zhì)子化試劑使殼聚糖溶于水，并進(jìn)一步作為交聯(lián)劑與殼聚糖上的氨基形成交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)；隨后加入硼酸鈉水溶液，通過硼酸酯鍵形成第二重交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而制備出雙交聯(lián)功能化殼聚糖基水凝膠（CS-LA-B(OH)4Na）電解質(zhì)（圖1）。
圖1 雙交聯(lián)策略制備CS-LA-B(OH)4Na凝膠電解質(zhì)的示意圖
系統(tǒng)地研究了殼聚糖溶解和交聯(lián)的過程，，確認(rèn)了雙交聯(lián)策略的可行性。所制備的CS-LA-B(OH)4Na電解質(zhì)具有非常均勻的空隙網(wǎng)絡(luò)，且由于硼元素的引入還具有良好的阻燃性能。以超級電容器為應(yīng)用模型進(jìn)一步研究了其電化學(xué)性能，得益于雙重交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供的快速離子通道，所制備的CS-LA-B(OH)4Na電解質(zhì)具有高的離子電導(dǎo)率（24.02 mS cm-1）和較寬的工作溫度范圍，同時表現(xiàn)出長達(dá)五萬次的穩(wěn)定循環(huán)壽命，容量保持率高達(dá)86 %（圖2）。此外，制備的柔性超級電容器還可在彎折、重壓等外力條件下正常工作（圖3）。更令人驚喜的是，該電解質(zhì)即使被剪切、刺穿和切碎，仍然可以實現(xiàn)回收和再利用，且電化學(xué)性能沒有受到顯著影響（圖4）。因此，本工作通過利用天然聚合物的結(jié)構(gòu)特征來設(shè)計柔性儲能裝置，為可持續(xù)、可回收和阻燃的GPE的設(shè)計提供了深入的見解。
圖2 CS-LA-B(OH)4Na凝膠電解質(zhì)的基礎(chǔ)電化學(xué)性能
圖3 CS-LA-B(OH)4Na凝膠電解質(zhì)制備的柔性超級電容器的實際應(yīng)用
圖4 CS-LA-B(OH)4Na凝膠電解質(zhì)的回收和再利用
原文地址：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/gc/d3gc04263d
圖文：許明偉