柔性超级电容器因其超高的长寿命周期、快速充放电率、可弯折等优点受到人们的广泛关注，电解质是其重要部件之一，与其电化学性能和安全性直接相关。传统的液体电解质因腐蚀、集成困难和液体泄漏等缺点限制了其实际应用。高离子电导率和柔韧性的凝胶电解质将是传统液体电解质的理想替代品，而目前大多数聚合物凝胶电解质是石油基产品，这会造成巨大的资源消耗和环境问题。壳聚糖(CS)是自然界唯一存在的天然碱性多糖，它可以从虾蟹壳废弃物中提取，充分利用壳聚糖有利于生态环境的可持续发展。如果能进一步提升壳聚糖的附加值，这将有利于海洋经济和相关产业的发展。因此使用天然可再生、资源储量丰富、可再生的壳聚糖作为原料来构建凝胶电解质成为研究者的目标。

     近日，贵州大学材料与冶金学院谢海波教授课题组在国际一区TOP期刊《Green Chemistry》(影响因子: 11.034)发表重要研究成果“Use of a [EMIM][OAc]/GVL-based organic electrolyte

solvent to engineer chitosan into nanocomposite organic ionogel electrolyte for flexible supercapacitors”, (Doi: 10.1039/D2GC04019K)，2020级硕士研究生盛海亮为论文第一作者，通讯作者为张丽华副教授和谢海波教授。该项工作利用[EMIM][OAc]/GVL有机电解质溶剂体系溶解壳聚糖，通过nano-SiO2氢键原位物理交联壳聚糖和水分引起的溶液-凝胶转变，“一锅法”制备壳聚糖基纳米复合有机离子凝胶电解质(CSOIE)并应用于柔性超级电容器(图1)。C8S2OIE (8wt% CS, 2 wt% nano-SiO2)具有最高的离子电导率(24.3 mS cm-1)。此外，C8S2OIE在-25 oC低温下仍能达到2.3 mS cm-1(图2)。基于C8S2OIE组装柔性超级电容器，在0.1 A g-1的电流密度下，-25和80 oC的恶劣环境温度下比电容分别是72.8 和113.2 F g-1，且在宽温度范围(-25至80 oC)内各5圈充放电循环后的最终比电容和循环前比电容基本上一致，在10000次重复充放电后，比电容和库伦效率几乎没有衰减，证明了其优异的循环稳定性(图3)。此外，在不同弯折角度下CV曲线基本上重合，证明了超级其具有优异的柔韧性，两个柔性超级电容器可以进行串联和并联的组装，以获得更高的电压和电流，从而满足各种应用需求。串联的两个柔性超级电容器可以有效地为LED灯泡(2 V)供电1分钟，表明超级电容器具有令人满意的电荷存储容量(图4)。该研究结果为使用天然聚合物设计和制备可持续的有机离子凝胶电解质提供了重要的指导作用。

图1 壳聚糖基纳米复合有机离子凝胶电解质的制备流程示意图

图2 (A) 不同nano-SiO2含量的离子凝胶的Nyquist曲线; (B) 25 oC下不同nano-SiO2含量的离子凝胶的离子电导率;

(C) C8S2OIE不同温度下的Nyquist曲线; (D) C8S2OIE不同温度下的离子电导率。

图3基于C8S2OIE的超级电容器(A) 不同温度下的CV曲线;(B) 不同温度下的GCD曲线;(C) 不同温度下比电容;(D) 不同温度下的Nyquist曲线;(E) 在宽温度范围内的比电容(0.5 A g-1); (F)在25oC、2A g-1下的循环稳定性。

图4基于C8S2OIE的超级电容器(A) 不同弯折角度下的CV曲线(10mV s-1);(B) 两个超级电容器串并联的CV曲线; (C) 两个超级电容器串并联的GCD曲线;(D) LED灯泡照明测试。

    该项工作得到了国家自然科学基金（51803038; 22065007; 21774028）及贵州省科技厅(批准号:ZK[2016]1402);平台与人才建设项目(批准号 [2016]5652; [2017]5788; [2018]5781;[2019] 5607);贵州大学引进人才项目(批准号: [2017]08)的资助。