一、参赛作品概述

 

展品名称：“盐包DMSO/H₂O”壳聚糖水凝胶

 

材料类别：高分子凝胶材料

 

创作者名称：王宏飞

 

所属学校：中国科学技术大学

 

参赛论文：In Situ Formation of “Dimethyl Sulfoxide/Water-in-Salt”-Based Chitosan Hydrogel Electrolyte for Advanced AllSolid-State Supercapacitors

 

 二、展品简介

1、产品简介/创新点：“盐包DMSO/H2O”壳聚糖水凝胶是以天然绿色的壳聚糖为聚合物网络，DMSO和H2O为二元混合溶剂，高浓度的双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI）为盐构筑的一类新型凝胶电解质。通过调控体系中Li+浓度为4-7 mol L-1达到“盐包水”的条件，壳聚糖链发生温和的交联抑制自由水的活性，拓宽电化学电压窗口。
2、性质：透明固态材料，具有耐高温、抗低温、电导率高、电压窗口宽、电化学稳定以及绿色环保可降解等特性。

3、展品应用领域：超级电容器、锂离子混合电容器、锂离子电池等储能器件的准固态凝胶电解质材料。

4、展品参数：

中文名	“盐包DMSO/H2O”壳聚糖水凝胶
英文名	“DMSO/Water-in-Salt” Based Chitosan Hydrogel
简称	DWIS-CH
分子式	(C6H11NO4)n
分子量	2×105-5×105（壳聚糖）
产品性状	透明固态凝胶
工作温度	-20~70℃
最高电导率	18.4 mS cm-1
电化学稳定窗口	3V
存储模量	868.5 Pa

 

三、科研笔记

《壳聚糖凝胶的往事》

        分享壳聚糖凝胶电解质的工作是因为这是我读博五年生涯中最喜欢的一个课题，在完成过程中，我做到了“围绕目标-设计实验-反复尝试-偶然发现-得到结果”这一过程。
        起初我的研究工作主要是围绕高性能超级电容器装置的开发，而从2017年开始超级电容器电极材料方面的工作已经很饱和，难以做出有亮点的工作，即便中途我也发表了一篇Carbon的论文，但可以明显感受到其中的可挖掘空间有限。在这样的环境下，导师闫立峰教授便希望我把研究工作投入到电解质领域，尤其是基于天然高分子材料的固态凝胶电解质的工作。因为对于固态器件组装的不了解，所以这方面的尝试工作做了很久，固态电解质的性能始终比不上传统的液态电解质，那时候也是刚刚转博阶段，我也真正开始为课题的困难而发愁。也是一次偶然的时间我尝试了一下向纤维素的溶液中加入适量的环氧氯丙烷，得到了透明且弹性较好的纤维素水凝胶。而用胶带包裹后，得到的超级电容器性能也不错。在此基础上，闫老师也告诉我提出将石墨烯水凝胶电极预嵌入纤维素溶液中，进行原位交联的方法来构筑准固态装置，这一方法更进一步优化了电极与电解质之间的界面，降低了电荷转移电阻。这一工作的开启也为后续课题奠定了一个夯实的基础，瞬间发现我还有很多东西可以做。

图1 纤维素水凝胶     

        接下来我围绕水系超级电容器电压窗口的问题，希望能抑制水凝胶中自由水的活性，而马里兰大学王春生教授提出的“盐包水”对于我启发很大，我们希望用此体系来克服水的分解。这就需要一方面寻找合适的凝胶网络，另一方面在聚合物网络中引入大量的盐。壳聚糖比纤维素的溶解性更佳，在实验中具有更强的操作性，加入大量的盐后稳定性也不错。但是我一开始用传统的化学交联剂（戊二醛）交联后发现，这种含有大量的盐以及化学交联剂的体系，凝胶的导电非常不理想，装置的倍率性能也不佳。我也尝试了双网络体系，效果也不是很好，这也使得我曾一度想要放弃。但是有一次偶然的实验机会，当我向壳聚糖溶液不断添入双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI）后，溶液的流动性越来越差，逐渐成胶。观察到这一奇特的现象后，我不断调整盐的浓度发现，当浓度在4-7 mol L-1时壳聚糖可以成胶而这一范围之外则无法成胶。而4-7 mol L-1的浓度范围正好满足“盐包水”的条件，这就使得我们在不加入交联剂的情况下得到“盐包水”的壳聚糖凝胶，后续的性能测试还是比较顺利，整个器件的性能也非常不错。经历过一波三折的尝试后，我对这一方向也有了更深的理解，也希望能在这一领域中挖掘更深的工作。

图2 壳聚糖成胶的摸索

图3 原位交联组装准固态水凝胶超级电容器的示意图

       这个课题告诉我科研一方面需要一个较好的idea，同时理论和实验还是有一定的差距。当我们在实验过程中遇到挫折时，很多数据做不出来不要轻易放弃，换个条件和路子再试试，可能就会有新的发现，开阔一片新的天地。