輕工學院楊洋副教授在生物質基凝膠電解質領域發表系列研究成果

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資源高值化利用，在生物質基凝膠電解質領域取得重要進展，相關成果在ACS Energy Letters、ACS Nano上發表。

近年來，對化石燃料資源的日益擔憂激發了對開發可用于先進電化學儲能設備的綠色、可再生材料的需求。生物質材料具有獨特的層級結構和物理化學性質，可作為發展可持續能源的強有力的平臺，在超級電容器的凝膠電解質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構和特性，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的評價指標，著重分析了天然高分子材料在凝膠電解質中發揮的作用。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的最新電化學性能及其它多種功能，同時強調了當前的技術挑戰和潛在的解決方案。本文旨在全面綜述天然高分子基水凝膠電解質的最新進展，重點介紹了有關綠色和可持續超級電容器的研究以及進一步發展的潛在路徑。相關成果以“Recent Advances in Biopolymer-Based Hydrogel Electrolytes for Flexible Supercapacitors”為題發表在《ACS Energy Letters》期刊上。

機械性能和離子傳輸性能是凝膠電解質的核心性能指標，對其應用性能和穩定性具有重要影響。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度，但過高的交聯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”的現象使得在水凝膠電解質的設計中，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，具有高結晶度和機械強度的細菌纖維素（BC）膜被用作水凝膠基質的堅固骨架。同時，引入具有“鹽溶”作用的陰離子（HCOO^-），調整聚合物的聚集狀態，使聚合物-離子-溶劑形成弱氫鍵相互作用，最終形成“硬-軟-硬”互鎖的層次結構。該策略使水凝膠能夠實現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），優于大多數報道的水凝膠電解質。此外，IBVA作為超級電容器的電解質，表現出良好的柔韌性、廣泛的溫度適應性、界面穩定性和穩定的電化學性能。相關研究成果以“Design of Hydrogel Electrolytes Using Strong Bacterial Cellulose with Weak Ionic Interactions”為題發表在《ACS Nano》期刊上。

(核稿：劉國棟 編輯：趙誠)