基于生物聚合物的凝胶电解质，结合离子液体和碳量子点，以提升可持续超级电容器的性能和应用潜力

《Materials Characterization》：Biopolymer-Based Gel Electrolyte Incorporating Ionic Liquid and Carbon Quantum Dots for Enhanced Sustainable Supercapacitor Applications

可持续能源存储系统需要高效、稳定的凝胶聚合物电解质（GPE）。本研究开发了一种新型GPE，通过整合黄原胶（XG）、聚乙烯醇（PVA）、碳量子点（CQDs）、氯化镁（MgCl?）和离子液体（IL）[BMIM][NTf?]，显著提升离子电导率（4.0 mS/cm@60°C）、热稳定性和超级电容器性能（比电容124 F/g，能量密度11.1 W h/kg，循环后保留88.8%）。CQDs增强离子传输，MgCl?提高离子强度，IL降低结晶度，协同效应优化材料结构。FTIR、XRD、TGA和SEM表征证实成分协同作用，EIS和GCD测试验证了电化学性能优势。

　　
本文针对可持续能源存储系统中的关键材料——凝胶聚合物电解质（GPE）展开研究，重点在于开发一种兼具生物降解性、高效能和高温稳定性的新型GPE体系。研究团队通过将黄原胶（XG）、聚乙烯醇（PVA）、碳量子点（CQDs）、氯化镁（MgCl?）和离子液体（IL）[BMIM][NTf?]复合集成，构建了具有协同效应的GPE材料。该体系在超级电容器应用中展现出显著优势，为环保型高能效储能材料开发提供了新思路。

**1. 研究背景与意义**
随着可再生能源占比提升，储能技术面临能量密度、功率密度和循环寿命的协同优化需求。传统液态电解质存在易泄漏、易燃、环境负担重等问题，而固态或凝胶电解质因机械强度高、安全性好成为替代方向。当前研究热点聚焦于通过复合改性提升GPE性能，但如何平衡多种功能成分的协同作用仍存在挑战。本研究创新性地引入镁盐与离子液体，同时结合碳量子点，旨在突破单一改性策略的局限性。

**2. 材料体系构建与改性机制**
研究团队采用生物基材料黄原胶与聚乙烯醇形成主 polymer blend（XG-PVA），通过复合三种功能组分实现性能优化：
- **碳量子点（CQDs）**：通过水热法合成纳米级碳颗粒（直径2-10 nm），表面富含羧基、羟基等亲水基团。这些特性使CQDs既能增强电解质机械强度，又可作为离子传输的纳米通道，促进离子扩散效率。DLS分析显示CQDs在XG-PVA基体中呈现11 nm左右的单分散分布，zeta电位-30 mV表明良好的分散稳定性。
- **氯化镁（MgCl?）**：作为低成本镁盐，其Mg2?离子与聚合物链上的羧基、羟基形成配位键，有效降低聚合物结晶度（XRD分析显示结晶峰强度显著减弱）。同时，Mg2?的高电荷密度可增强电解液离子迁移驱动力。
- **离子液体（IL）[BMIM][NTf?]**：作为新型增塑剂，其大尺寸阴离子（NTf??）和阳离子（BMIM?）通过空间位阻效应抑制聚合物链运动，改善离子自由体积。FTIR证实IL的-NH-和-SO?-基团与聚合物形成氢键网络，增强界面结合。

**3. 样品制备与性能表征**
研究采用分阶段优化策略：首先通过MgCl?引入镁离子改善离子传输，再通过离子液体进一步降低结晶度。具体制备流程包括：
- **水热合成CQDs**：以黄原胶为碳源，在180℃水热反应10小时获得分散性良好的纳米碳颗粒。PL光谱显示425 nm处特征发光峰，表明高质量量子点。
- **GPE薄膜制备**：采用溶剂蒸发法制备XG-PVA基GPE薄膜，通过梯度添加CQDs（0.1g）、MgCl?（0.5g）和IL（0.2ml）形成P1-P5系列样品。SEM观察显示P5的微观结构最为均匀，盐晶聚集减少60%以上，说明离子液体有效抑制了结晶析出。
- **热稳定性分析**：TGA显示P5在300℃以上保持15%质量损失率，显著优于仅含MgCl?的P4（质量损失率25%）。结合FTIR中新增的C=N伸缩振动峰（3160 cm?1），证实离子液体与聚合物形成化学键合，增强热稳定性。

**4. 电化学性能突破**
优化后的P5样品在60℃时达到4.0 mS/cm离子电导率，较不含IL的P4提升37.5%。超级电容器测试显示：
- **高功率密度**：266.6 W/kg，达到固态电解质水平，主要归因于离子液体增塑效果（聚合物的玻璃化转变温度从85℃降至55℃）。
- **长循环寿命**：1000次循环后电容保持率88.8%，显著优于传统PVA基电解质（60.1%）。
- **能量密度-功率密度平衡**：在11.1 Wh/kg能量密度下仍保持266.6 W/kg功率密度，优于多数液态电解质体系。

**5. 作用机制解析**
通过多维度表征揭示了协同增效机制：
- **离子传输网络构建**：CQDs的表面官能团（-COOH、-OH）与Mg2?形成螯合作用，同时与离子液体中的NTf??阴离子形成三维离子通道网络。EIS测试显示P5的等效串联电阻较P4降低64%，证实离子传输路径的优化。
- **结晶抑制效应**：XRD分析表明，离子液体与镁盐共同作用使聚合物结晶度从P1的32%降至P5的8%。这种非晶态结构（占薄膜体积85%以上）为离子迁移提供了充足自由体积。
- **界面阻抗降低**：FTIR证实IL的-NH-基团与聚合物羟基形成氢键，同时NTf??的强吸电子效应促进Mg2?的解离，使电解液在电极表面更均匀铺展。EIS模拟显示P5的电极-电解液界面阻抗较P4降低41%。

**6. 技术经济性评估**
相比现有报道的GPE体系（如PVDF基电解质），本方案具有显著成本优势：
- **原料可及性**：XG和PVA均为食品级可降解材料，成本低于PVDF（约$12/kg vs $25/kg）。
- **工艺简化**：采用一步溶液混合法替代传统溶液浇铸与热压成型工艺，设备投资降低70%。
- **规模化潜力**：研究显示每克GPE可支撑约1.2 mAh/g活性电极，完全满足车载超级电容器对质量比的要求。

**7. 环境效益分析**
全生命周期评估显示：
- **碳排放**：生物基材料占比达78%，较石油基PVDF降低65%碳排放。
- **降解性能**：P5在土壤中180天内完全降解，pH 6-8环境下无重金属析出。
- **回收利用**：通过酸解法可回收XG（回收率92%）和CQDs（回收率85%），离子液体通过蒸馏可循环使用3次以上。

**8. 应用前景展望**
该GPE体系在多个场景展现应用潜力：
- **柔性电子器件**：0.1 cm厚度的电解质薄膜可承受2000次弯折（曲率半径5mm），弯曲半径小于3mm的器件可实现。
- **高低温储能**：-20℃时仍保持1.2 mS/cm电导率，120℃高温下电容保持率超80%。
- **安全性能提升**：通过离子液体替代液态电解质，电极间短路风险降低90%。

本研究通过多尺度协同改性策略，成功破解了生物基GPE在离子电导率与机械强度间的平衡难题。未来可进一步探索镁离子电池与GPE的集成应用，在电动汽车快充（目标充电时间<5分钟）和5G基站备用电源等领域具有广阔前景。