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壽命等優點，在儲能方面展現出了巨大的潛力。然而，傳統的液態電解質存在諸多缺陷，如溶劑有毒有害、集成困難、電解液泄漏風險高、易燃和無法回收等。相比之下，聚合物凝膠電解質（GPE）具有安全性高、柔性好和不易泄露等優勢，被認為是傳統液體電解質的理想替代品。此外，從可持續的角度來看，殼聚糖是僅次于纖維素的第二豐富的天然聚合物，其結構上具有大量的衍生化和功能化反應位點，使其在設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，設計并制備一種具有較高的柔韌性、高電化學性能和高循環穩定性的可回收且阻燃的功能化殼聚糖基凝膠電解質，勢在必行但也面臨巨大的挑戰。
近日，貴州大學材料與冶金學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構特點，利用乙酰丙酸（LA）作為質子化試劑使殼聚糖溶于水，并進一步作為交聯劑與殼聚糖上的氨基形成交聯聚合物網絡；隨后加入硼酸鈉水溶液，通過硼酸酯鍵形成第二重交聯網絡，進而制備出雙交聯功能化殼聚糖基水凝膠（CS-LA-B(OH)4Na）電解質（圖1）。
圖1 雙交聯策略制備CS-LA-B(OH)4Na凝膠電解質的示意圖
系統地研究了殼聚糖溶解和交聯的過程，，確認了雙交聯策略的可行性。所制備的CS-LA-B(OH)4Na電解質具有非常均勻的空隙網絡，且由于硼元素的引入還具有良好的阻燃性能。以超級電容器為應用模型進一步研究了其電化學性能，得益于雙重交聯網絡結構提供的快速離子通道，所制備的CS-LA-B(OH)4Na電解質具有高的離子電導率（24.02 mS cm-1）和較寬的工作溫度范圍，同時表現出長達五萬次的穩定循環壽命，容量保持率高達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，該電解質即使被剪切、刺穿和切碎，仍然可以實現回收和再利用，且電化學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構特征來設計柔性儲能裝置，為可持續、可回收和阻燃的GPE的設計提供了深入的見解。
圖2 CS-LA-B(OH)4Na凝膠電解質的基礎電化學性能
圖3 CS-LA-B(OH)4Na凝膠電解質制備的柔性超級電容器的實際應用
圖4 CS-LA-B(OH)4Na凝膠電解質的回收和再利用
原文地址：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/gc/d3gc04263d
圖文：許明偉