超级电容器（SC）由于具有高功率密度、快速充放电能力以及较长的循环寿命等优点，在储能方面展现出了巨大的潜力。然而，传统的液态电解质存在诸多缺陷，如溶剂有毒有害、集成困难、电解液泄漏风险高、易燃和无法回收等。相比之下，聚合物凝胶电解质（GPE）具有安全性高、柔性好和不易泄露等优势，被认为是传统液体电解质的理想替代品。此外，从可持续的角度来看，壳聚糖是仅次于纤维素的第二丰富的天然聚合物，其结构上具有大量的衍生化和功能化反应位点，使其在设计和制备用于储能装置的GPE上具有巨大的潜力。因此，基于分子水平考虑，设计并制备一种具有较高的柔韧性、高电化学性能和高循环稳定性的可回收且阻燃的功能化壳聚糖基凝胶电解质，势在必行但也面临巨大的挑战。

近日，贵州大学材料与冶金学院谢海波教授课题组在国际知名期刊《Green Chemistry》（影响因子：9.8）发表重要研究成果“Engineering Chitosan to a Recyclable and Flame-resistant Gel Electrolyte via a Dual Cross-linked Strategy for

Flexible Supercapacitors”, (DOI:10.1016/ D3GC04263D.)，2021级硕士研究生许明伟为论文第一作者，通讯作者为谢海波教授，黄俊特聘教授。该工作基于壳聚糖的结构特点，利用乙酰丙酸（LA）作为质子化试剂使壳聚糖溶于水，并进一步作为交联剂与壳聚糖上的氨基形成交联聚合物网络；随后加入硼酸钠水溶液，通过硼酸酯键形成第二重交联网络，进而制备出双交联功能化壳聚糖基水凝胶（CS-LA-B(OH)4Na）电解质（图1）。

图1 双交联策略制备CS-LA-B(OH)4Na凝胶电解质的示意图

  系统地研究了壳聚糖溶解和交联的过程，，确认了双交联策略的可行性。所制备的CS-LA-B(OH)4Na电解质具有非常均匀的空隙网络，且由于硼元素的引入还具有良好的阻燃性能。以超级电容器为应用模型进一步研究了其电化学性能，得益于双重交联网络结构提供的快速离子通道，所制备的CS-LA-B(OH)4Na电解质具有高的离子电导率（24.02 mS cm-1）和较宽的工作温度范围，同时表现出长达五万次的稳定循环寿命，容量保持率高达86 %（图2）。此外，制备的柔性超级电容器还可在弯折、重压等外力条件下正常工作（图3）。更令人惊喜的是，该电解质即使被剪切、刺穿和切碎，仍然可以实现回收和再利用，且电化学性能没有受到显著影响（图4）。因此，本工作通过利用天然聚合物的结构特征来设计柔性储能装置，为可持续、可回收和阻燃的GPE的设计提供了深入的见解。

图2 CS-LA-B(OH)4Na凝胶电解质的基础电化学性能

图3 CS-LA-B(OH)4Na凝胶电解质制备的柔性超级电容器的实际应用

图4 CS-LA-B(OH)4Na凝胶电解质的回收和再利用

原文地址：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/gc/d3gc04263d

图文：许明伟