东北林业大学顾继友教授、霍鹏飞副教授CEJ: 高能量密度固态超级电容器用半透明聚氨酯/多孔木材复合凝胶聚合物电解质

第一作者：侯璞

通讯作者：顾继友*，霍鹏飞*

单位：东北林业大学

随着不可再生能源的日益消耗，如何实现高效的能源存储以及转化是需要迫切解决的问题。超级电容器作为一类储能设备，具有循环稳定性好、功率密度高、充放电时间短等优点，在可穿戴器件，以及电动汽车领域有着广泛的应用前景。

电解质作为超级电容器的重要组成部分，将显著影响超级电容器的整体性能，其中凝胶聚合物电解质能够在保持一定机械强度的同时达到接近于液态电解质的离子传导率，因而得到广泛关注。聚氨酯独特的两相结构，赋予其高度的结构可设计性，是应用于凝胶聚合物电解质基体的潜在材料。

尽管聚合物电解质比传统液态电解液表现出更好的安全性和尺寸稳定性，但较低的室温离子传导率和在超级电容器中表现出的较低的能量密度仍然阻碍了其进一步的应用和发展。为了进一步满足应用上对于机械强度以及能量密度的要求，研究具有高能量密度的凝胶聚合物电解质基固态超级电容器具有重要的意义。

基于此，来自东北林业大学材料科学与工程学院的顾继友教授和霍鹏飞副教授在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“A semi-transparent polyurethane/porous wood composite gel polymer electrolyte for solid-state supercapacitor with high energy density and cycling stability”的研究文章。

该文章利用储量丰富，环境友好的木材与聚氨酯复合制备复合凝胶聚合物电解质，利用木材的多孔结构规划了离子传输路径，实现了更高效的离子传输和存储，在固态超级电容器上表现出高的能量密度。

图1. 聚氨酯/多孔木材复合凝胶聚合物电解质的制备以及超级电容器的组装

本工作将木材经过脱木质素处理后，冻干24 h将脱木素后形成的孔腔保留固定，得到多孔脱木素木材（DW）。通过简单的真空浸渍的方法，将经分子结构设计的聚氨酯基体灌注进DW的孔洞中，得到半透明聚氨酯/多孔木材复合材料。复合材料经1M的高氯酸锂电解液浸润后得到聚氨酯/多孔木材复合凝胶聚合物电解质（DW-PU-GPEs）。

DW借助自身保留的丰富孔腔，将大量的微孔道嵌入聚氨酯基体中并起到骨架支撑的作用。DW-PU-GPEs内部的微孔结构则能够在电极间实现更快速的离子传输，表现出极高的室温离子传导率。

图2. DW-PU-GPEs的室温离子传导率和离子传输机理图

要点二

DW-PU-GPEs内部的微孔结构提供了大量的离子通道，DW丰富的羟基基团更进一步提高了凝胶聚合物电解质对电解液的吸附能力，增加了体系内导电离子的含量，因此应用的超级电容器表现出高的能量密度以及优异的循环稳定性。

图3. DW-PU-GPEs基固态超级电容器的循环稳定性和能量密度对比图。

要点三

木材在凝胶电解质体系内主要起到3点作用：

（1）起到骨架支撑的作用。

（2）表面的羟基提高对电解液的吸附能力。

（3）提供大量的离子通道，促进离子的快速传输。

木材作为地球上储量最丰富的生物质材料，在本篇文章中与聚氨酯进行复合制备凝胶聚合物电解质，进一步拓宽了木材的应用领域。

A semi-transparent polyurethane/porous wood composite gel polymer electrolyte for solid-state supercapacitor with high energy density and cycling stability

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