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  由于便攜式電氣設(shè)備、電動(dòng)汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)能等對(duì)儲(chǔ)能的需求不斷增長(zhǎng)，因此電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備在過(guò)去幾十年中引起了廣泛關(guān)注，包括鋰離子電池、鈉離子電池、鋅離子電池、金屬空氣電池、金屬硫電池、超級(jí)電容器和太陽(yáng)能電池。目前，液態(tài)電解質(zhì)因其高離子電導(dǎo)率（室溫下為10^?3–10^?2 S cm^?1）和與各種電極保持良好接觸等優(yōu)點(diǎn)在電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備中占主導(dǎo)地位。然而，液態(tài)電解質(zhì)的安全問(wèn)題，包括有機(jī)溶劑的易燃性、電解質(zhì)泄漏和枝晶生長(zhǎng)，仍然阻礙著電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用。聚合物電解質(zhì)是一種很有前途的替代品，能夠取代傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)，很容易地克服電池安全問(wèn)題并抑制枝晶的生長(zhǎng)。根據(jù)是否存在增塑劑，聚合物電解質(zhì)可分為兩類，即固態(tài)聚合物電解質(zhì)和凝膠聚合物電解質(zhì)。固態(tài)聚合物電解質(zhì)是不含任何液體成分的無(wú)溶劑聚合物電解質(zhì)，高分子量聚合物在其中溶解并溶劑化電解質(zhì)鹽。在過(guò)去的十幾年里，固態(tài)聚合物電解質(zhì)已廣泛應(yīng)用于全固態(tài)鋰電池，特別是鋰硫電池和鋰空氣電池。盡管固態(tài)聚合物電解質(zhì)具有良好的機(jī)械性能和安全性，但是它們室溫下的離子電導(dǎo)率（10^?8–10^?5 S cm^?1）卻很低。所以，使用固態(tài)聚合物電解質(zhì)的電池仍存在著可逆容量低和循環(huán)性能差的問(wèn)題。在現(xiàn)階段，固態(tài)聚合物電解質(zhì)的廣泛應(yīng)用受到了限制。

  凝膠聚合物電解質(zhì)是介于液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)聚合物電解質(zhì)之間的半固態(tài)電解質(zhì)，由于結(jié)合了液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，其作為雙功能電解質(zhì)和隔膜受到越來(lái)越多關(guān)注。一般來(lái)說(shuō)，凝膠聚合物電解質(zhì)由聚合物基體、電解質(zhì)鹽和增塑劑組成，其中聚合物基體固定了大量的液態(tài)電解質(zhì)。此外，聚合物基體賦予了凝膠聚合物電解質(zhì)高的機(jī)械強(qiáng)度，離子傳輸主要發(fā)生在引入液體增塑劑后凝膠聚合物電解質(zhì)的溶脹膠凝相或液相中。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可以降低聚合物基體的結(jié)晶含量，降低離子運(yùn)動(dòng)的勢(shì)壘從而提高凝膠聚合物電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性。大多數(shù)凝膠聚合物電解質(zhì)室溫下的離子電導(dǎo)率接近10^?3 S cm^?1。因此，凝膠聚合物電解質(zhì)克服了液態(tài)電解質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度低和固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率低的問(wèn)題。此外，凝膠聚合物電解質(zhì)通常具有更好的可加工性和靈活性，在柔性和可穿戴電子產(chǎn)品具有很好的前景。凝膠聚合物電解質(zhì)的柔性和可變形性源于聚合物基體的性質(zhì)，聚合物基體主要包括聚環(huán)氧乙烷（PEO）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚（偏氟乙烯-共-六氟丙烯）（PVDF-HFP）、聚丙烯酰胺（PAM）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等聚合物材料。然而，這些聚合物大多來(lái)源于不可再生的石油原料，非生物降解的石油基聚合物會(huì)造成白色污染，對(duì)人類健康和環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

  隨著科研人員對(duì)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)綠色化學(xué)的日益關(guān)注，生物聚合物可以用于制備凝膠聚合物電解質(zhì)。生物聚合物，也稱為天然聚合物，是從可再生資源（藻類、細(xì)菌、微生物、植物等）中獲得的，主要包括多核苷酸、多肽和多糖。其中，多肽和多糖是制備生物質(zhì)基凝膠聚合物電解質(zhì)最常用的材料，如明膠、海藻酸鹽、淀粉、瓊脂、纖維素、殼聚糖等。近十年來(lái)，生物聚合物擁有可持續(xù)性、生物降解性、低成本、加工簡(jiǎn)單和無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，因而生物質(zhì)基凝膠聚合物電解質(zhì)的大規(guī)模生產(chǎn)和在電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備中得到了快速發(fā)展。令人印象深刻的是，纖維素和殼聚糖是電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備中使用更廣泛的生物聚合物。

圖1 生物質(zhì)基凝膠聚合物電解質(zhì)的常用生物質(zhì)及文章發(fā)表情況

  最近，華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新文教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地概述了具有獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)和智能化生物質(zhì)基凝膠聚合物電解質(zhì)在電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備中應(yīng)用的最新進(jìn)展，包括超級(jí)電容器、鋰電池、鈉電池、鋅電池、鎂電池、鋁電池和太陽(yáng)能電池。其次，還對(duì)生物質(zhì)基凝膠聚合物電解質(zhì)的交聯(lián)方法和理化性能進(jìn)行了全面的回顧和分析。重點(diǎn)介紹了功能化生物質(zhì)基凝膠聚合物電解質(zhì)的自修復(fù)、拉伸和耐熱能力。最后，討論了生物質(zhì)基凝膠聚合物電解質(zhì)在先進(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能裝置中目前面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向。

  首先回顧了一下凝膠聚合物電解質(zhì)的發(fā)展歷程，總結(jié)了聚合物基體的要求：(1) 優(yōu)秀的鹽解離能力；(2) 聚合物鏈的快速分段移動(dòng)；(3) 低玻璃化溫度；(4) 高分解溫度；(5) 較寬的電化學(xué)窗口。凝膠聚合物電解質(zhì)通常是通過(guò)聚合物的物理凝膠化、聚合物的化學(xué)交聯(lián)和聚合物單體的化學(xué)聚合來(lái)制備，還可分為物理方法和化學(xué)方法。

  接下來(lái)詳細(xì)介紹了儲(chǔ)能領(lǐng)域中常用的生物聚合物的一般特征、分子結(jié)構(gòu)、交聯(lián)方式以及發(fā)展現(xiàn)狀，主要包括纖維素、海藻酸鹽、殼聚糖、蛋白質(zhì)、淀粉、瓊脂、卡拉膠、黃原膠、瓜爾膠、木質(zhì)素等。

  隨后，該綜述對(duì)生物質(zhì)基凝膠聚合物電解質(zhì)在各個(gè)儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，如超級(jí)電容器、鋰離子電池、鋰金屬電池、鈉離子電池、鈉金屬電池、鋅離子電池、鋅空電池、鋅離子混合電容器、鎂電池、鋁電池和太陽(yáng)能電池。針對(duì)生物質(zhì)基凝膠聚合物電解質(zhì)存在的問(wèn)題，總結(jié)了常用生物聚合物的調(diào)控策略。

圖3生物質(zhì)基凝膠聚合物電解質(zhì)中常用的生物聚合物的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)以及交聯(lián)方式

  （1） 室溫下的離子電導(dǎo)率相對(duì)較低。生物聚合物豐富的極性基團(tuán)可以通過(guò)路易斯酸堿相互作用和靜電力促進(jìn)鹽的溶解，從而實(shí)現(xiàn)高離子導(dǎo)電性。此外，電解質(zhì)離子沿聚合物鏈的熱運(yùn)動(dòng)特征也是一個(gè)重要因素。因此，生物聚合物的分子量、長(zhǎng)度、極性基團(tuán)的類型和交聯(lián)度會(huì)影響生物聚合物與電解質(zhì)離子之間的相互作用。因?yàn)閼?yīng)該加深對(duì)生物聚合物特性和不同電解質(zhì)離子之間的理論相互作用機(jī)制的理解。然而流動(dòng)相仍然是傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，這在穩(wěn)定性、安全性和可持續(xù)性方面仍存在不足。因此，尋找可持續(xù)和環(huán)保的替代品作為流動(dòng)液相對(duì)于容納生物聚合物是至關(guān)重要的。在這方面，可持續(xù)和安全的離子液體和快速離子導(dǎo)體是生物質(zhì)基凝膠聚合物電解質(zhì)的一種不錯(cuò)的選擇。

  （2） 最大限度地提高生物質(zhì)基凝膠聚合物電解質(zhì)的機(jī)械性能，包括構(gòu)建雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、摻雜納米顆粒和利用Hofmeister效應(yīng)。此外，還需要開發(fā)變形過(guò)程中的理論模型方法，以加深不同部件上的應(yīng)變分布。

  （3） 提高生物質(zhì)基凝膠聚合物電解質(zhì)的電化學(xué)/熱穩(wěn)定性和耐久性�？梢院侠碓O(shè)計(jì)聚合物基體、電解質(zhì)鹽和無(wú)機(jī)填料和設(shè)計(jì)合適的電解質(zhì)-電極界面，以進(jìn)一步提高熱穩(wěn)定性并拓寬電化學(xué)窗口。

  （4） 開發(fā)低成本、可擴(kuò)展和環(huán)保的生物聚合物提取和生物質(zhì)基凝膠聚合物電解質(zhì)的生產(chǎn)工藝。一般來(lái)說(shuō)，將生物聚合物轉(zhuǎn)化為功能電解質(zhì)包括溶液處理，包括真空輔助過(guò)濾、澆鑄干燥、濕法紡絲和電紡絲、冷凍干燥等，從而產(chǎn)生昂貴的產(chǎn)品。因此，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展原位制備方法。

  （5） 開發(fā)具有新功能（如可拉伸性、溫度敏感、自修復(fù)、變色）的智能設(shè)備，以進(jìn)一步拓展其在下一代智能電子設(shè)備和植入生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中的應(yīng)用。因此，還必須注意利用生物聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)勢(shì)，并充分了解其結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642524000331