羟丙基纤维素：环保无氟粘结剂革新水性超级电容器性能与可持续性

为解决传统氟化粘结剂PVDF在超级电容器中存在的环境危害（如氟化物生物积累毒性）和性能局限问题，研究人员创新性地探索羟丙基纤维素（HPC）作为无氟替代粘结剂。研究表明，HPC电极在酸性（H2SO4）、中性（Na2SO4）及碱性（KOH）电解液中均展现更高比电容（如23.86 F g?1）和超90%循环稳定性，显著提升设备环保性与耐用性，为可持续能源存储技术开辟新路径。

　　在追求可持续能源解决方案的浪潮中，超级电容器（SCs）因其高功率密度和快速充放电特性，成为电动汽车和智能电网的关键组件。然而，传统电极制造依赖含氟粘结剂如聚偏氟乙烯（PVDF），这些材料不仅需有毒溶剂（如NMP）处理，还会释放有害氟化物（如HF），引发环境和健康风险。更棘手的是，PVDF在碱性环境中易降解，且阻塞活性炭孔隙，降低设备性能。面对这一双重挑战——环境可持续性与电化学效率的平衡，研究人员亟需开发无氟替代方案。

在此背景下，研究人员聚焦于羟丙基纤维素（HPC），一种源自天然纤维素的生物衍生聚合物。HPC具备水溶性、pH稳定性（2-11）和独特的“盐析效应”（salting out effect），能在高盐电解液中保持电极完整性。为验证其可行性，研究团队系统开展了以下工作：首先，通过刮刀涂布法制备HPC基电极（85%活性炭、10%炭黑、5% HPC），以钛箔为集流体，对比PVDF电极；其次，利用扫描电镜（SEM）、氮气吸附（BET法）和热重-红外联用（TGA-IR）分析形貌、比表面积（SSA）及热稳定性；最后，在三电极体系中进行循环伏安（CV）、恒流充放电（GCD）和电化学阻抗（EIS）测试，并在酸性（1 N H₂SO₄）、中性（1 N Na₂SO₄）及碱性（1 N KOH）电解液中评估10,000次循环和160小时浮动测试的耐久性。

物理化学表征

通过SEM观测，HPC电极展现更均匀的微观结构，孔隙率仅15%（PVDF为33%），确保活性物质紧密互联。氮气吸附测试显示，HPC电极的比表面积（SSA）达1436.1 m² g^?1，远高于PVDF电极的943.82 m² g^?1，归因于HPC减少孔隙阻塞。剥离试验证实HPC对钛集流体的粘附力更强（峰值2 N），而PVDF电极易脱落。热分析（TGA-IR）表明，HPC分解产物为丙酮和丙醛，无氟化物释放；相比之下，PVDF在480°C时释放HF和氟化单体，凸显安全优势。

电化学表征

循环伏安（CV）测试中，HPC电极在三种电解液中均优于PVDF，比电容最高达23.86 F g^?1（KOH环境），而PVDF在碱性液中仅16.70 F g^?1。恒流充放电（GCD）证实HPC器件功率密度超1.0 kW kg^?1，能量密度超1.0 Wh kg^?1。邓恩分析（Dunn's analysis）显示，HPC电极的电容贡献以