由于石油基聚合物具有不可生物降解的缺点，其废弃物对环境的污染日益严重，使人类面临着严峻的全球性生态问题，因此使用环保的生物质衍生聚合物或天然高分子材料来替代传统的石油基材料引起了极大的关注。生物质基聚合物水凝胶作为新兴和可再生的电解质材料，具有低成本、环保和可降解性，为柔性和智能电化学能源存储/转换装置电解质的开发提供了新方向。近年来，具有理想结构和功能的生物聚合物基水凝胶电解质在超级电容器、柔性锂离子电池和锌离子电池等多种储能装置中展现出广阔的应用前景。

  本文中，天津科技大学司传领教授课题组与德国哥廷根大学张凯教授课题组合作，对生物聚合物基水凝胶电解质的制备、表征和性能进行全方位的分析、归纳和总结。天津科技大学为第一通讯单位，天津科技大学徐婷博士为第一作者。全面介绍了具有优异电化学性能和多功能（如自愈合、可拉伸、防冻等）的生物聚合物水凝胶电解质在超级电容器及锌离子电池的应用。此外，提出了生物聚合物基水凝胶电解质在先进能量存储和转换装置应用中所存在的挑战及解决策略，为生物聚合物基水凝胶电解质的发展提供了新思路。

1. 生物聚合物基水凝胶电解质的制备策略、物理特征及界面性能

  近年来，生物聚合物基水凝胶作为柔性储能和转换装置的电解质受到广泛关注，各种（纤维素及其衍生物基水凝胶、壳聚糖及甲壳素基水凝胶、海藻酸盐基水凝胶及琼脂糖基水凝胶等）生物聚合物水凝胶电解质的分子结构和性能特征如图1所示。

图1. 应用于能量存储系统的各种生物聚合物水凝胶电解质的分子结构和性能特征。

离子电导率

机械性能

化学稳定性

  水凝胶易受环境影响，例如水在零度以下的温度发生冻结，这将会增加界面的传输电阻并导致电化学性能下降。此外，水凝胶中水蒸发的问题也是亟待解决的。针对这些问题，可通过模板合成、特殊试剂交联、构建互穿聚合物网络等方法开发出具有抗冻或保湿等特殊功能的生物聚合物基水凝胶电解质。生物聚合物水凝胶电解质在开发可降解的能量存储和转换设备中具有较强的竞争力，但是其在水中的稳定性和机械强度较差，同时保持其长循环稳定性和良好的电化学性能是一项紧迫的任务。因此，有必要将生物聚合物水凝胶与其他可降解材料相结合，以确保储能设备能够匹配恶劣的使用环境。

柔性及多功能超级电容器

柔性及多功能锌离子电池

图5. （a）纳米纤维素/聚丙烯酰胺水凝胶的合成过程；（b）缝纫电池和未缝纫电池的最大受力测试照片；（c）聚丙烯酰胺和纳米纤维素/聚丙烯酰胺水凝胶的应力-应变曲线；（d）缝纫试验下的容量保持率和开路电压；（e）未缝合电池和缝合电池在各种剪切力下的容量保持率。（f）聚丙烯酸钠-纤维素水凝胶的制备工艺；（g）冻干后聚丙烯酸钠-纤维素水凝胶的横截面扫描图；（h）可拉伸扁平形锌空气电池的示意图；（i）高度可拉伸的扁平形锌空气电池的功率密度分布；（j）不同拉伸应变下的最大功率密度。

3. 结论与展望

  （1）提高生物聚合物基水凝胶的离子电导率。离子电导率与生物聚合物链中的官能团和电解质离子之间的相互作用有关。需要更系统的工作来阐明生物聚合物的特性与不同电解质离子之间的理论相互作用机制。

  （2）优化生物聚合物基水凝胶电解质的力学性能，满足实际应用需求。例如，生物聚合物电解质表现出良好的拉伸特性，但它们中的大多数在拉伸后仍存在较大的残余变形。因此，要加强聚合物链之间的相互连接，形成均匀致密的聚合物网络结构，以改善其应力传递和能量耗散。此外，在变形过程中，需要理论模型方法来优化和研究不同部件上的应变分布。

  以上相关成果及内容以题为Biopolymer-based hydrogel electrolytes for advanced energy storage/conversion devices: properties, applications, and perspectives发表在《Energy Storage Materials》上。该论文第一作者为天津科技大学徐婷博士，天津科技大学为第一完成单位。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.03.013