天津科技大学司传领、徐婷/南京林业大学蔡旭敏《Aggregate》封面论文：用于先进超级电容器的生物质基材料

研究背景

超级电容器由于其高功率密度、快速充放电能力、长循环寿命等展现出相当大的能量存储潜力。随着与合成化合物相关的环境问题日益增加，利用环境友好型生物聚合物替代传统的石油基材料已被广泛研究。生物质基材料具有可生物降解、可再生、环保和无毒的特点。其独特的分级纳米结构、优异的力学性能和亲水性使其能够被用来制备具有精确控制结构和不同性质的功能性导电材料。该论文对生物质基超级电容器材料的最新发展进行了评述和讨论。

图1.论文封面

研究内容

论文概述了超级电容器领域基于生物聚合物材料的研究进展；讨论了生物聚合物的物理和化学特性，以及超级电容器的分类和基本原理。此外，本文还全面探讨了生物质材料的最新具体应用，包括电极材料和电解质材料。最后，讨论了该领域现有的挑战，并探讨了未来的发展方向。此论文入选了Aggregate期刊2023年高下载量论文，并被选为封面论文，封面如图1所示。

内容介绍

1. 生物质材料的特性

本章节讨论了生物质材料的分类、制备方法及其在超级电容器中应用时展现的优异性能。如图2所示。

图2. 超级电容器中常用生物聚合物的结构

2. 超级电容器的工作原理

超级电容器由几个关键部分组成，包括正极、负极、电解质、及非导电隔板（防止两个电极之间短路）和两个将电极连接到外部电路的集流器，如图3所示。

根据其电荷存储机制，超级电容器可分为三种基本类型：双电层电容器（EDLC）、赝电容器（PC）和混合超级电容器（BHS）。通常情况下，EDLC主要依靠活性炭、石墨烯和纳米结构碳气凝胶等碳基电极材料，通过离子在电极和电解质界面上的可逆吸附/解吸作用积累电荷。其次，PC也被称为氧化还原电容器，它通过活性材料表面发生的快速、可逆的法拉第反应来储存能量。因此，PC与电池的相似之处比电池更多。这种混合超级电容器充分利用了EDLC和PC的特性，具有更高的能量密度和供电能力。

图3. 超级电容器和其他储能设备的比较及其工作机制

3. 生物质材料应用于超级电容器

基于生物质和导电聚合物的复合材料被认为是很有前途的超级电容器电极材料，如图4、图5和图6所示。生物质材料可与导电成分结合，通过混合、真空过滤、原位聚合、电沉积等方法制备一维复合材料（如纤维、线等）、二维复合材料（如纸张、薄膜等）和三维复合材料（如气凝胶、水凝胶、泡沫等）。复合材料中生物大分子与导电聚合物的结合具有许多优点，包括增强导电性、广泛的亲水性表面、丰富的分层孔隙结构以及快速的电子-离子传输速率。另外，有关生物质材料作为超级电容器电极碳材料前体的研究也已被广泛报道。在碳化过程中，稳定的碳得以保留，而其他挥发性和不稳定的成分则被去除。重要的是，碳化过程中形成的 sp2 碳原子大大提高了材料的导电性。通过选择适当的碳化处理参数和生物质源，或使用金属盐体系，生物材料的微/纳米结构可在煅烧过程后保持不变。除活化外，还可将介孔二氧化硅和金属氧化物等硬模板与天然生物材料结合使用，以精确控制碳材料的孔隙率。

图4.生物质材料应用于超级电容器电极

图5.生物质材料应用于超级电容器电极

图6.生物质材料应用于超级电容器电极

生物质材料在超级电容器电解质中也有很大的应用前景，如图7所示。在生物聚合物中加入亲水官能团，如-OH、-COOH、-NH2和CONH2，可使其对极性溶剂具有极佳的润湿能力。此外，这些官能团与盐阴离子发生相互作用，可以提高电解质在含盐环境中的溶解度，并增强阳离子传输特性。可通过接枝、加入无机填料和混合等方法对生物聚合物水凝胶进行改性。通过混合或共埋聚合加入聚合物单体可进一步提高生物聚合物水凝胶的离子传导性，这种方法可有效降低生物聚合物的结晶度，从而增强离子传导性。

图7.生物质材料应用于超级电容器电解质

4. 结论与展望

本文全面总结了将生物质材料应用于柔性超级电容器的最新进展。总结内容包括生物聚合物的物理和化学特性、生物聚合物对超级电容器性能的影响、相关超级电容器的工作机制及应用。尽管近年来基于生物质的超级电容器复合材料取得了重大突破，但在这些超级电容器设备广泛应用于各个领域之前，仍有许多挑战需要解决。首先，在超级电容器中应用生物质基材料的主要限制之一是目前缺乏成熟和大规模制造这些材料的可行技术。例如，纳米纤维素需要复杂耗时的加工步骤（如冷冻干燥），才能制备出薄膜/纳米纸、纤维和气凝胶等功能性自支撑结构。将生物质转化为碳材料的过程所使用的化学品和热处理成本都很高等。此外，电解质与电极材料的相容性对超级电容器的性能影响很大。目前，对电极和电解质之间的兼容性描述较少。因此，有必要建立一种原位监测技术，以评估界面电荷分布和结构演变，从而预测电极和电解质之间的兼容性，确保它们相互匹配。未来的努力目标是尽量减少对化石能源的依赖，采用生态友好型制备方法，并生产出具有成本效益、高性能和耐用性的超级电容器材料。毫无疑问，开发用于储能装置的生物质材料具有巨大潜力。开发新的材料合成策略、功能性储能装置（如高能量密度柔性可穿戴超级电容器等）可能是未来的发展方向。

以上相关成果及内容以题为Biomass-based materials for advanced supercapacitor: principles, progress, and perspectives发表在《Aggregate》上。该论文第一作者为天津科技大学硕士生王娅萱，通讯作者分别是天津科技大学司传领教授、徐婷副教授和南京林业大学蔡旭敏副教授，天津科技大学为第一完成单位。

文章链接：
https://doi.org/10.1002/agt2.428

来源：高分子科学前沿

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