聚阴离子藻酸盐调控水凝胶电解质助力宽电压窗口柔性碳基超级电容器

本研究针对传统水凝胶电解质机械强度差、电压窗口窄（0-1.0 V）等问题，通过将聚阴离子藻酸盐（Alg）引入聚丙烯酰胺（PAAm）网络，开发了钙离子交联的APC4水凝胶电解质。该材料兼具高离子电导率（7.54 S m?1 ）和1.6 V宽电压窗口，使竹基多孔碳（BHPC）超级电容器能量密度提升至21.68 Wh kg?1 ，为柔性电子设备能源存储提供创新解决方案。

　　

在可穿戴设备和柔性电子蓬勃发展的今天，传统超级电容器（SC）的水凝胶电解质正面临两大"天花板"：机械性能像果冻般脆弱，电压窗口被水分解反应限制在1.0 V以内。这直接导致柔性储能器件能量密度低下，好比给智能手机装上了"小容量电池"。更棘手的是，现有解决方案如有机溶剂添加或盐包水电解质，又带来了成本高、环境风险等新问题。

韩国研究人员在《Carbohydrate Polymers》发表的研究中，巧妙利用海藻提取物——藻酸盐（Alg）的聚阴离子特性，设计出"分子笼"结构的水凝胶电解质。通过将Alg与聚丙烯酰胺（PAAm）构建双网络结构，并采用Ca²⁺
离子交联，既锁住了水分子的"活跃天性"，又为离子搭建了高速公路。这种"一石二鸟"的设计，让电解质在保持17.7 mS cm^?1
高电导率的同时，电压窗口突破至1.6 V。

关键技术包括：1）双网络水凝胶制备（PAAm化学交联+Alg物理缠结）；2）电解质浓度梯度优化实验；3）采用竹基分级多孔碳（BHPC）与商业活性炭（AC）电极对比测试；4）机械变形下的电化学稳定性评估。

【材料表征】
红外光谱证实Alg的COO^?
与Ca²⁺
形成配位键，扫描电镜显示APC4具有多孔互穿结构，为离子传输提供通道。

【力学性能】
含4M CaCl₂
的APC4水凝胶拉伸强度达85 kPa，远超传统PAAm水凝胶（约20 kPa），这归因于Alg链的"牺牲键"机制。

【电化学性能】
BHPC电极在APC4电解质中展现21.68 Wh kg^?1
的能量密度，比常规PAAm体系提升300%。1万次循环后容量保持率超90%，弯曲180°时电容无衰减。

该研究通过"分子工程"策略，揭示了聚阴离子调控水分子行为的机制：Alg的羧酸根基团像"离子磁铁"，既促进电荷传输，又通过强水合作用抑制析氢反应。这种生物质材料与矿物盐的巧妙组合，为开发低成本、可持续的柔性储能系统提供了新范式。特别值得注意的是，竹基碳材料与藻酸盐电解质的"全绿色"组合，使该超级电容器的产业化具备显著环保优势。未来或可拓展至医用植入设备供电等领域，解决传统锂电池在柔性场景中的安全隐患。