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天科大司傳領(lǐng)、徐婷/南林蔡旭敏《Aggregate》封面文章：用于先進(jìn)超級電容器的生物質(zhì)基材料
2024-02-26  來源：高分子科技
關(guān)鍵詞：超級電容器 生物聚合物


  超級電容器由于其高功率密度、快速充放電能力、長循環(huán)壽命等展現(xiàn)出相當(dāng)大的能量存儲潛力。隨著與合成化合物相關(guān)的環(huán)境問題日益增加，利用環(huán)境友好型生物聚合物替代傳統(tǒng)的石油基材料已被廣泛研究。生物質(zhì)基材料具有可生物降解、可再生、環(huán)保和無毒的特點(diǎn)。其獨(dú)特的分級納米結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能和親水性使其能夠被用來制備具有精確控制結(jié)構(gòu)和不同性質(zhì)的功能性導(dǎo)電材料。該論文對生物質(zhì)基超級電容器材料的最新發(fā)展進(jìn)行了評述和討論。


圖1. 論文封面


  論文概述了超級電容器領(lǐng)域基于生物聚合物材料的研究進(jìn)展；討論了生物聚合物的物理和化學(xué)特性，以及超級電容器的分類和基本原理。此外，本文還全面探討了生物質(zhì)材料的最新具體應(yīng)用，包括電極材料和電解質(zhì)材料。最后，討論了該領(lǐng)域現(xiàn)有的挑戰(zhàn)，并探討了未來的發(fā)展方向。此論文入選了Aggregate期刊2023年高下載量論文，并被選為封面論文，封面如圖1所示。


1. 生物質(zhì)材料的特性


  本章節(jié)討論了生物質(zhì)材料的分類、制備方法及其在超級電容器中應(yīng)用時展現(xiàn)的優(yōu)異性能。如圖2所示。


圖2. 超級電容器中常用生物聚合物的結(jié)構(gòu)


2. 超級電容器的工作原理


  超級電容器由幾個關(guān)鍵部分組成，包括正極、負(fù)極、電解質(zhì)、及非導(dǎo)電隔板（防止兩個電極之間短路）和兩個將電極連接到外部電路的集流器，如圖3所示。


  根據(jù)其電荷存儲機(jī)制，超級電容器可分為三種基本類型：雙電層電容器（EDLC）、贗電容器（PC）和混合超級電容器（BHS）。通常情況下，EDLC主要依靠活性炭、石墨烯和納米結(jié)構(gòu)碳?xì)饽z等碳基電極材料，通過離子在電極和電解質(zhì)界面上的可逆吸附/解吸作用積累電荷。其次，PC也被稱為氧化還原電容器，它通過活性材料表面發(fā)生的快速、可逆的法拉第反應(yīng)來儲存能量。因此，PC與電池的相似之處比電池更多。這種混合超級電容器充分利用了EDLC和PC的特性，具有更高的能量密度和供電能力。


圖3. 超級電容器和其他儲能設(shè)備的比較及其工作機(jī)制


3. 生物質(zhì)材料應(yīng)用于超級電容器


  基于生物質(zhì)和導(dǎo)電聚合物的復(fù)合材料被認(rèn)為是很有前途的超級電容器電極材料，如圖4、圖5和圖6所示。生物質(zhì)材料可與導(dǎo)電成分結(jié)合，通過混合、真空過濾、原位聚合、電沉積等方法制備一維復(fù)合材料（如纖維、線等）、二維復(fù)合材料（如紙張、薄膜等）和三維復(fù)合材料（如氣凝膠、水凝膠、泡沫等）。復(fù)合材料中生物大分子與導(dǎo)電聚合物的結(jié)合具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括增強(qiáng)導(dǎo)電性、廣泛的親水性表面、豐富的分層孔隙結(jié)構(gòu)以及快速的電子-離子傳輸速率。另外，有關(guān)生物質(zhì)材料作為超級電容器電極碳材料前體的研究也已被廣泛報道。在碳化過程中，穩(wěn)定的碳得以保留，而其他揮發(fā)性和不穩(wěn)定的成分則被去除。重要的是，碳化過程中形成的 sp2 碳原子大大提高了材料的導(dǎo)電性。通過選擇適當(dāng)?shù)奶蓟幚韰?shù)和生物質(zhì)源，或使用金屬鹽體系，生物材料的微/納米結(jié)構(gòu)可在煅燒過程后保持不變。除活化外，還可將介孔二氧化硅和金屬氧化物等硬模板與天然生物材料結(jié)合使用，以精確控制碳材料的孔隙率。


圖4. 生物質(zhì)材料應(yīng)用于超級電容器電極


圖5. 生物質(zhì)材料應(yīng)用于超級電容器電極


圖6. 生物質(zhì)材料應(yīng)用于超級電容器電極


  生物質(zhì)材料在超級電容器電解質(zhì)中也有很大的應(yīng)用前景，如圖7所示。在生物聚合物中加入親水官能團(tuán)，如-OH、-COOH、-NH2和CONH2，可使其對極性溶劑具有極佳的潤濕能力。此外，這些官能團(tuán)與鹽陰離子發(fā)生相互作用，可以提高電解質(zhì)在含鹽環(huán)境中的溶解度，并增強(qiáng)陽離子傳輸特性？赏ㄟ^接枝、加入無機(jī)填料和混合等方法對生物聚合物水凝膠進(jìn)行改性。通過混合或共埋聚合加入聚合物單體可進(jìn)一步提高生物聚合物水凝膠的離子傳導(dǎo)性，這種方法可有效降低生物聚合物的結(jié)晶度，從而增強(qiáng)離子傳導(dǎo)性。


圖7. 生物質(zhì)材料應(yīng)用于超級電容器電解質(zhì)


  本文全面總結(jié)了將生物質(zhì)材料應(yīng)用于柔性超級電容器的最新進(jìn)展。總結(jié)內(nèi)容包括生物聚合物的物理和化學(xué)特性、生物聚合物對超級電容器性能的影響、相關(guān)超級電容器的工作機(jī)制及應(yīng)用。盡管近年來基于生物質(zhì)的超級電容器復(fù)合材料取得了重大突破，但在這些超級電容器設(shè)備廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域之前，仍有許多挑戰(zhàn)需要解決。首先，在超級電容器中應(yīng)用生物質(zhì)基材料的主要限制之一是目前缺乏成熟和大規(guī)模制造這些材料的可行技術(shù)。例如，納米纖維素需要復(fù)雜耗時的加工步驟（如冷凍干燥），才能制備出薄膜/納米紙、纖維和氣凝膠等功能性自支撐結(jié)構(gòu)。將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為碳材料的過程所使用的化學(xué)品和熱處理成本都很高等。此外，電解質(zhì)與電極材料的相容性對超級電容器的性能影響很大。目前，對電極和電解質(zhì)之間的兼容性描述較少。因此，有必要建立一種原位監(jiān)測技術(shù)，以評估界面電荷分布和結(jié)構(gòu)演變，從而預(yù)測電極和電解質(zhì)之間的兼容性，確保它們相互匹配。未來的努力目標(biāo)是盡量減少對化石能源的依賴，采用生態(tài)友好型制備方法，并生產(chǎn)出具有成本效益、高性能和耐用性的超級電容器材料。毫無疑問，開發(fā)用于儲能裝置的生物質(zhì)材料具有巨大潛力。開發(fā)新的材料合成策略、功能性儲能裝置（如高能量密度柔性可穿戴超級電容器等）可能是未來的發(fā)展方向。


  以上相關(guān)成果及內(nèi)容以題為Biomass-based materials for advanced supercapacitor: principles, progress, and perspectives發(fā)表在《Aggregate》上。該論文第一作者為天津科技大學(xué)碩士生王婭萱，通訊作者分別是天津科技大學(xué)司傳領(lǐng)教授、徐婷副教授和南京林業(yè)大學(xué)蔡旭敏副教授，天津科技大學(xué)為第一完成單位。


  文章鏈接：https://doi.org/10.1002/agt2.428

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