轻工科学与工程学院在生物质能源领域研究取得新进展

近日，天津科技大学轻工学院司传领教授团队及其合作者，针对生物质基聚合物水凝胶材料应用于储能领域所面临的问题和挑战进行了研究，相关论文以题为“Biopolymer-based hydrogel electrolytes for advanced energy storage/conversion devices: Properties, applications, and perspectives”发表在能源材料领域顶级期刊《Energy Storage Materials》(2022, 48: 244-262, doi: 10.1016/j.ensm.2022.03.013)，该论文第一作者为轻工学院博士后徐婷，通讯作者为司传领教授，天津科技大学为第一作者和通讯作者单位，美国及德国合作者参与了部分工作。

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。

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。

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。本文全面研究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(图2)及锌离子电池(图3)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。

图2. (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。

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