综述：可生物降解能源存储材料的新型化学集成在可持续环境中的应用

（编辑推荐）本综述系统探讨了可生物降解材料在超级电容器（SCs）、电池及燃料电池中的创新应用，聚焦生物基聚合物（如壳聚糖、PLA）、碳基材料和绿色电解质对电化学性能（电容、导电性）的提升，为可穿戴电子、植入式医疗设备及绿色物联网（IoT）提供可持续解决方案，同时应对电子废弃物挑战。

　　

Abstract

当前研究趋势表明，可持续能源存储需求推动了可生物降解材料在超级电容器（SCs）、电池和燃料电池中的广泛应用。生物基聚合物（如聚乳酸PLA、聚己内酯PCL）、天然添加剂（木质素、纤维素纳米晶体）与绿色电解质（壳聚糖-甘油离子凝胶）的协同作用显著提升了电极的电容、机械柔性和环境相容性。这些材料在瞬态电子、医疗植入体和IoT系统中展现出可控降解特性，同时其土壤/水降解性有效缓解了电子废弃物问题。

Introduction

锂离子电池的局限性（循环寿命短、功率密度低）促使超级电容器（SCs）成为研究热点。SCs通过双电层（EDLCs）和赝电容（过渡金属氧化物、导电聚合物）机制存储电荷，兼具高比电容（>50,000次循环）和宽温域适应性（-40°C至150°C）。生物基材料的引入（如丝素蛋白、明胶）进一步优化了电极的机械稳定性，而纳米纤维技术（金属氧化物/碳基复合材料）则通过表面改性赋予材料多功能性。

Materials

实验采用商业化生物降解聚合物（Sigma-Aldrich的壳聚糖、PLA）为基底，天然添加剂（单宁酸）增强导电性。关键创新包括酶解导电聚合物电极和生物衍生碳材料（比表面积>1000 m²
/g），其电导率可达10^-3
S/cm。

Biodegradable materials in batteries

传统电池（锂、钴基）的环境风险催生了可降解替代品。例如，聚二酸柠檬酸盐（PDC）电解质与纤维素电极组合的锌离子电池，能量密度达200 Wh/kg，且可在6个月内自然降解。

Biodegradable materials in fuel cells

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中，铂催化剂的替代方案（如铁-氮掺杂碳材料）结合壳聚糖基电解质，实现了80%降解率（30天水解），功率密度提升至0.5 W/cm²
。

Biodegradable materials utilization for super-capacitors

SCs电极需兼具固定比表面积（FSA>500 m²
/g）和润湿性。蚕丝蛋白/石墨烯复合电极在1 A/g电流密度下电容保持率达95%，且拉伸强度>50 MPa，适用于可穿戴设备。

Conclusions, outlook and future prospective

尽管生物降解材料在能量密度（<50 Wh/kg）方面仍落后于传统体系，分子工程（如杂化材料设计）和绿色制造工艺（3D打印）将是未来突破方向，推动全生命周期可持续能源存储解决方案。