纤维素介孔电解质膜: 一类用于制备高性能柔性超级电容器器件的电解质材料

由于便携式电子器件突飞猛进的发展,柔性薄膜型储能器件特别是柔性全固态超级电容器能够实现能量供给的同时兼具柔性、超薄甚至透明特性而广受关注。聚合物电解质作为柔性超级电容器中重要组分之一,具有电解质和隔膜的双重功能,促进了便携式和可穿戴式电子设备的储能系统的开发。聚合物电解质膜由于其高离子电导率、宽电化学窗口和使用安全性而引起越来越多的关注,然而传统的聚合物电解质膜通常既非来源于可再生资源也不能生物降解,往往还涉及复杂的制备过程,对其广泛应用造成一定影响,已不能满足新型全固态超级电容器的高性能、柔韧性与环保性要求,迫切需要发展一种简单的策略制备高性能和可降解的聚合物电解质材料。

纤维素是一种来源广泛的天然高分子物质,具有可再生、可降解、热稳定性强、机械强度高等突出特点。文献已报道了以纤维素衍生物复合膜(醋酸纤维素、甲基纤维素、硝基-甲基纤维素等)作为隔膜材料应用于锂离子电池、锂硫电池、铝空电池等储能器件中,但直接以纤维素为原料制备高离子导电性的聚合物电解质膜并应用于柔性全固态超级电容器等储能器件尚少有报道。

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近期,东北林业大学于海鹏教授研究团队报道了一种可用于高性能柔性全固态超级电容器器件的新型纤维素介孔膜。本文采用一种简单并可扩展的制备策略,首先以相转化的方法制备了纤维素的溶解液,然后对纤维素溶解液再生成水凝胶膜,并借助微孔膜的作用形成具有均匀介孔结构的纤维素电解质膜(mCel膜)。所制得的mCel膜具有高孔隙率(71.78%)、高透明性、极好的柔韧性和机械强度,经氢氧化钾(KOH)溶液浸润后还具有极高的电解液保留率(451.2%)和离子传导性(0.325 S/cm)等优点,这些特性是首次在单种可再生和可降解材料中得以全部实现。基于这些特点,以mCel电解质膜和活性碳电极组装的柔性全固态超级电容器能够展示出较高的比电容、高的倍率性能和良好的稳定性(循环10000次后的电容保留率为84.7%)。这种电解质膜另一个突出的应用价值在于,可以在不使用粘合剂和复杂装置的条件下,将电极材料直接沉积到mCel膜上。mCel膜在其中起到了柔性基体与聚合物电解质的双重身份,便于简单地集成制造出各种图案造型的微型超级电容器。组装的微型超级电容器表现出非常好的柔韧性和电化学储能性能,即使在大尺度反复弯曲状态下也依然保持整体结构的完整性。以上结果表明,这项研究提出了一种简单有效且可扩展的方法,为制备柔性可生物降解的纤维素介孔膜以及便携储能装置指出了一个潜在发展方向。

相关论文在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700739)上,第一作者为东北林业大学材料学院博士研究生赵大伟。