Advanced Functional Materials:环保面凝胶电解质用于水系储能器件

水系储能器件由于其高安全性和低成本受到广泛关注。作为储能器件的重要组成部分,电解质能够实现电极间离子的快速传输。在众多电解质中,凝胶电解质具有高离子电导率和高机械性能的优势,在柔性储能领域有广泛应用前景。传统水系凝胶电解质主要由聚合物骨架(如聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等)和液态电解液(如硫酸、氢氧化钾、氯化锂等)构成。但是,其聚合物骨架通常是难以生物降解或不能生物兼容的,并且其中的液态电解液如强酸或强碱等具有腐蚀性,容易产生安全问题并造成环境污染。此外,传统水系凝胶电解质的电化学性能会随着液态电解液的挥发而快速衰减,电解质自身也会失去柔性,即使将它们浸泡在液态电解液中,凝胶电解质的性能也难以恢复。通过解决上述问题,不仅能够提升水系储能器件的使用寿命,还能降低成本并减少资源浪费。

最近,南开大学化学学院牛志强教授课题组制备了生物安全性高、环境友好的面凝胶电解质,该电解质不仅能够在失水后通过水化作用恢复力学性能和离子电导率,还展现出可食用、可降解和可粘附的特点。将这些特点引入柔性超级电容器和柔性锌离子电池中,从而获得了容量可恢复、可食用和可粘附的柔性水系储能器件。相关结果以“Sustainable Dough-Based Gel Electrolytes for Aqueous Energy Storage Devices”为题,发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202009209)上。

图1. 面粉与PVA、PAA、PAM在CO2排放、价格、产量、生物安全性方面的对比

面粉来源于小麦,其在生长过程中会通过光合作用固定CO2,减缓温室效应。同时小麦是世界三大粮食作物之一,因此与工业生产的PVA、PAA、PAM相比,面粉在产量、价格和生物安全性方面具有突出优势。

图2. 面凝胶电解质的结构组成及形貌表征

面主要由面筋网络和淀粉组成,面筋网络通过麦谷蛋白分子间的二硫键互相连接,具有出色力学性能并提供离子传输通道。此外,面筋中的麦胶蛋白分子间存在大量氢键,使得面具有粘附性。

图3. 面凝胶电解质的pH值、杨氏模量、离子电导率以及面凝胶电解质中不同状态水的含量

在面制备过程中加入K2CO3调节面的pH值,进而调控面筋分子的水化程度,改善面凝胶电解质的力学性能。当K2CO3的含量为0.5wt%时,面凝胶电解质的杨氏模量最高,力学性能最佳。面中的水可分为三种状态:强结合水、弱结合水和自由水,K2CO3的引入增加了强结合水的含量,进一步证明了面筋分子水化程度的增加。

图4. 基于面凝胶电解质的柔性超级电容器的容量可恢复性和可粘附性过程研究

由于面凝胶电解质中面筋分子通过二硫键彼此连接,因此面凝胶电解质在失水后仍能保持结构完整。基于面凝胶电解质的柔性超级电容器在重新水化后,其比容量和柔性均实现了恢复。除此之外,该柔性超级电容器还展现出良好的粘附性。

图5. 面凝胶电解质的可降解性研究和可食用超级电容器的制备

作为一种生物质材料,面凝胶电解质具有出色的可降解性,可以在土壤表面或模拟胃酸溶液中快速降解。基于该特点进一步制备了可食用超级电容器。

图6. 基于面凝胶电解质的柔性锌离子电池

基于面凝胶电解质的柔性锌离子电池在不同弯曲状态下具有良好的电化学稳定性,说明面凝胶电解质可以匹配其他金属离子,应用于多种水系储能器件中。