[发明专利]双网络木质素水凝胶在制备柔性、固态超级电容器中的应用

说明书

本发明属于木质素基水凝胶功能材料的领域，公开了一种双网络木质素水凝胶及其制备方法与应用。本发明首先在碱性溶液中通过化学交联作用构筑第一网络木质素水凝胶体系，然后将其浸泡入酸性溶液中利用第一网络中的木质素产生疏水作用从而形成双网络木质素水凝胶。该方法制备的双网络木质素水凝胶不仅具有高机械强度性质，而且制备方法简单，原料成本低，可再生，绿色环保，并且具有高离子电导率，将其作为电解质组装超级电容器时，无需额外浸泡离子溶液，无需额外使用隔膜，有效降低超级电容器厚度和重量。得到的电容器比电容值高于目前水凝胶电解质类柔性超级电容器比电容值。另外其具有非常好的充放电循环稳定性、耐压缩性和耐弯曲性。

技术领域

本发明属于木质素基水凝胶功能材料的领域，特别涉及一种双网络木质素水凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

随着化石燃料的日益枯竭和环境污染问题的日趋严重，绿色、可持续性的替代能源越来越受到人们的重视，其中超级电容器由于具有快速充放电、高功率密度以及使用寿命长而得到广泛重视，尤其是柔性、固态超级电容器在可穿戴器件领域表现出很好的应用前景（Chen, W., et al. Chemical Society Reviews 2018, 47 (8), 2837-2872.）。固态超级电容器利用固态或半固态的凝胶或高分子膜作为电解质，避免了液态超级电容器漏液、腐蚀性、环境污染以及组装困难、质量重等问题。而柔性、固态超级电容器在满足电解质固态性质外，还必须要求电解质机械性能高，具有抗弯折和抗压缩性能（Wanwan, L.,etal., Angew. Chem. 2016, 128 (32), 9342-9347.）。

目前人们对超级电容器电极材料研究较多，而电解质材料研究相对较少。水凝胶作为一种高度含水的3D交联聚合物网络结构，具备多种可置入性功能，在生物医学领域、电子皮肤和能量存储领域都受到了广泛应用（Liu, Z., et al., Advanced Materials2014, 26 (23), 3912-3917;Armelin, E., et al., J. Mater. Chem. A 2016, 4 (23),8952-8968.）。同时利用高强韧的水凝胶作为电解质构筑超级电容器最近也受到了人们的关注和研究。比如利用双键修饰的硅纳米颗粒共交联聚丙烯酸和聚丙烯酰胺高强韧水凝胶作为电解质构筑的超级电容器具备优异的可自修复性和可拉伸性（Huang, Y.,et al.,Nat. Commun. 2015, 6, 10310.）。Saha教授团队制备了Fe³⁺交联的聚丙烯酸水凝胶电解质并成功构建了优异电化学性能的超级电容器（Guo, Y., et al., Journal of MaterialsChemistry A 2016, 4 (22), 8769-8776.）。另外，利用化学交联的聚乙烯醇水凝胶也可以构筑高性能的柔性超级电容器（Wanwan, L., et al., Angew. Chem. 2016, 128 (32),9342-9347.）。以上实例充分说明高强韧水凝胶可以作为一种优秀、高效的电解质材料构建高性能的柔性、固态超级电容器。但是目前的高强韧水凝胶电解质除了制备方法繁琐外，其原材料都是后期合成不可再生的，不具备可持续性，严重制约了其广泛应用。因此，一种高性能、低成本、构筑方法简单且可再生的高强韧水凝胶电解质迫切需要。