综述：可持续水包盐生物聚合物水凝胶：储能器件与传感器中的结构 - 离子传输 - 器件性能关系

《Sustainable Materials and Technologies》：Sustainable water-in-salt bio-polymer hydrogels: structure–ion transport–device performance relationships in energy storage devices and sensors

　　

在可持续性的迫切需求以及全球向清洁能源技术转型的推动下，生物聚合物基水凝胶已成为下一代能源和软电子器件的有希望候选者。其中，水 - 盐 (WiS) 水凝胶由于其相比传统水凝胶系统增强了物理化学和电化学性能，已引起广泛关注。通过将高浓度盐限制在聚合物基质中，WiS 水凝胶表现出改进的机械韧性、可调的离子传输以及扩展的工作电压窗口。本综述综合了支配受限水凝胶系统中水状态、离子 - 聚合物相互作用和微观结构演化的基本原理。本综述中还发现了对氢键和水活性的简要光谱见解（拉曼光谱、FTIR），以展示它们对循环稳定性和电化学性能的影响。电化学阻抗谱 (EIS) 被视为探测离子传输、界面动态和电荷存储机制的关键工具。除了电化学行为外，WiS 系统的引入还调节了机械性能，如刚度、拉伸性和变形下的稳定性，从而能够在柔性电池、超级电容器和应变传感器中应用。尽管取得了这些进展，但在平衡离子电导率与结构坚固性、减轻高浓度下的离子聚集以及实现对水凝胶微观结构的精确控制方面仍面临挑战。解决这些问题对于将 WiS 生物聚合物水凝胶从实验室原型转化为可扩展、环保且资源高效的基于可再生生物聚合物材料的能源存储技术至关重要，从而支持可持续能源 (SDG 7) 和产业、创新与基础设施 (SDG 9)。

引言

近年来，水凝胶因其独特的物理化学性质、结构可调性和简单的合成路线而引起了广泛的研究兴趣。作为由亲水链组成的三维交联聚合物网络，水凝胶能够在其 porous 结构内保留大量水分。其高含水量赋予了拉伸性，促进了柔性电子设备中高效的离子传输，并实现了对组织的贴合接触用于伤口敷料 [1]。水凝胶的可调性允许精确调节交联密度、孔隙率、机械强度和离子电导率，以满足特定应用的需求。历史上，水凝胶主要是从合成聚合物合成而来的，这始于 1954 年 Wichterle 和 Lim 的开创性工作 [2]。然而，随着全球向可持续材料开发的转变，生物衍生聚合物越来越多地被作为水凝胶基质纳入，提供了可生物降解性、可再生性和改进的环境兼容性 [3]。它们的实施促进了自然资源的使用，通过促进创新的材料设计和推进环保技术，支持了联合国可持续发展目标 9（产业、创新和基础设施）。尽管具有这些优势，但必须指出，水凝胶本质上依赖于水作为其主要介质。这种依赖性使它们在环境或干燥条件下容易脱水，导致机械硬化、离子电导率降低和整体性能下降。这种易感性可能会损害它们在从生物医学系统到柔性电子设备等多种应用中的性能 [4]。为了减轻水分流失并确保电化学稳定性，已经探索了各种合成方法和改性策略。其中，水 - 盐 (WiS) 体系最近作为一种特别有希望的方法出现。该体系定义为盐与水的摩尔比大于 1，由 Suo 等人于 2015 年左右在液态/水性电解质中首次引入，用于锂离子电池应用，采用高浓度的双 (三氟甲烷磺酰基) 酰亚胺锂 (LiTFSI) 溶液。电化学稳定窗口得到了成功扩展，并获得近 100% 的库伦效率 [5], [6], [7]。随后，这一概念已被扩展到准固态和水凝胶基电解质，在 2010 年代后期随着研究人员开始将高浓度盐纳入聚合物网络而兴起 [8]。在 WiS 水凝胶中，可溶性盐的高浓度溶液（通常 > 3M），（例如 LiCl, LiNO3, KF, NaNO3, 和 NaClO4）被纳入聚合物网络，从根本上改变了水凝胶基质内的溶剂化结构，而传统水凝胶（盐在水中）通常具有较低的盐浓度 [9], [10]。在高盐浓度下，自由水分子的数量显著减少，大多数水分子参与离子水合。因此，蒸发在能量上变得不那么有利，因为水分子必须首先从离子配位环境中解离才能逸出 [11]。从电化学角度来看，这种修改后的溶剂化结构通过减少离子溶剂化壳层中的水分子，扩展了电化学稳定窗口，从而抑制了析氢和析氧反应 [9]。此外，WiS 纳入受限水凝胶系统也显示出相比体系统改进了的离子电导率 [12]。因此，WiS 化学的引入在凝胶结构、离子传输行为和器件级性能之间建立了关键联系。然而，与液相系统相比，WiS 基水凝胶的发展相对较新且探索较少。因此，本综述提供了 WiS 生物聚合物基水凝胶的全面概述，重点关注其设计策略、结构 - 离子传输关系以及在软电子和储能器件中的性能，并强调可持续性。本综述的结构组织如下：1) 聚合物水凝胶网络中水 - 盐 (WiS) 体系的基础原理。2) 生物聚合物水凝胶的结构特征以及 WiS 水凝胶系统中的离子传输机制 3) 超级电容器、电池和传感器中的力学 - 电化学耦合及器件性能。4) WiS 水凝胶向效率和可持续性发展的挑战和未来展望。基于从 Lens.org 提取的数据进行了文献计量分析，对基于生物聚合物的水 - 盐水凝胶的最新研究进行了进一步验证和洞察。图 1(a) 和 (b) 分别显示了关键词“水 - 盐水凝胶”和“生物聚合物水凝胶”的出版物数量，表明源自生物资源的 WiS 水凝胶研究在过去十年中获得了显著关注，突出了其作为先进智能材料的新兴作用。图 1(c) 说明了水 - 盐 (WiS) 生物聚合物水凝胶研究的关键词共现网络，使用 VOSviewer 构建。可视化揭示了几个截然不同但又相互关联的集群，突出了该领域的多学科性质。一个突出的集群与生物衍生聚合物材料相关，其中纤维素、壳聚糖、生物聚合物和聚合物/化学等关键词占主导地位。这反映了对可持续和天然衍生基质的日益重视，通常进一步通过石墨烯和 MXene 等功能添加剂来增强结构和物理化学性能。另一个集群以纳米复合材料和合成为中心，包括纳米复合材料和碳纳米管等术语，表明材料工程策略在定制水凝胶性能方面起着至关重要的作用。值得注意的是，“水凝胶”的中心位置表明其在材料结构和功能性能之间（特别是在离子传输和器件应用方面）的桥梁作用。此外，包含传感器、生物电子、电子和药物递送等关键词的应用驱动集群展示了 WiS 水凝胶系统范围超越传统储能扩展到柔性和多功能器件。水凝胶、纳米复合材料和石墨烯等术语的高发生率进一步表明，当前研究主要集中在通过混合结构增强材料功能性。然而，尽管研究数量不断增加，明确与离子传输机制和水 - 盐化学相关的关键词仍然相对不那么突出，表明对结构 - 离子传输 - 性能关系的基础见解仍未得到充分探索。因此，本综述旨在通过系统地关联生物聚合物水凝胶的结构设计、离子传输行为以及它们在储能器件和传感器中的性能来弥合这一差距。

章节片段

聚合物水凝胶网络中水 - 盐 (WiS) 体系的基础原理

将水 - 盐 (WiS) 电解质应用于聚合物水凝胶网络代表了设计下一代储能器件用柔软、安全且高性能电解质的变革性方法。本节总结了决定这些复杂系统性质的基础原理。特别是，它关注当超高浓度盐被限制在三维网络中时产生的热动力学、结构和界面现象。

传输路径

水 - 盐生物聚合物水凝胶中的离子传输由三维聚合物网络内互连的水合通道调节。随着电解质浓度的升高，自由水的量极小，从而增强了离子与溶剂以及离子与聚合物之间的相互作用 [10]。这些相互作用形成了纳米级传输路径，能够实现高效的离子迁移并稳定水凝胶网络。所使用的聚合物具有主要影响

器件性能关系

超级电容器、电池和传感器等电化学器件传统上依赖液态电解质的高离子电导率，但对便携式、柔性和可持续电子产品的日益增长的需求推动了替代品的研究。水凝胶电解质已成为强有力的候选者，结合了离子电导率和机械柔性，生物聚合物衍生的变体因其可再生性和可生物降解性而特别有吸引力。然而，

当前挑战

由于其高离子电导率、机械柔性和增强的电化学稳定性，WiS 生物聚合物水凝胶已成为柔性电子、可穿戴传感器和其他先进储能器件的重要原材料 [148], [149]。具有聚合物水凝胶网络的高浓度盐电解质提供了显著的好处，包括增加的电化学稳定窗口和增强的离子传输 [10], [150]。然而，尽管它们具有引人注目的

关于环境可持续性、生物降解性和生命周期考量的展望

生物聚合物水凝胶的使用日益与可持续储能和传感器技术相关联，因为许多天然衍生聚合物，包括纤维素、壳聚糖、藻酸盐、琼脂和明胶，源自可再生生物质并具备固有的可生物降解性 [36], [37]。与石油衍生合成聚合物相比，生物聚合物网络有可能减少对化石资源的依赖并减轻设备处置后的持久性聚合物废物。最近

结论与未来方向

水凝胶电解质已成为能源器件和传感器的有希望候选者，结合了高离子电导率和机械柔性。生物聚合物衍生的水凝胶因其可再生性和可生物降解性而特别有吸引力。它们多样的分子结构，如具有结晶性 β(1→4) 糖苷键链的纤维素、基于葡糖胺单元的壳聚糖以及具有甘露糖醛酸 - 古龙糖醛酸嵌段的藻酸盐，提供了可调的氢键、离子交联，

CRediT 作者贡献声明

Fathiah Kamarulazam: 写作 – 审查与编辑，写作 – 原稿，概念化。Kah Hoe Loh: 写作 – 原稿。Lu Liu: 写作 – 原稿。Maryam Hina: 写作 – 原稿。Sami Ullah: 写作 – 原稿。Chun Kiat Chong: 写作 – 原稿。P.V. Chai: 写作 – 审查与编辑，监督。Kiat Moon Lee: 写作 – 审查与编辑。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能被认为影响了本论文报告的工作。

致谢

该研究由 UCSI 大学通过研究卓越与创新计划 (REIG-FETBE-2026/021) 资助。

Fathiah Kamarulazam|Kah Hoe Loh|Lu Liu|Maryam Hina|Sami Ullah|Chun Kiat Chong|P.V. Chai|Kiat Moon Lee

化学与石油工程系，工程、技术与建筑环境学院，UCSI 大学，马来西亚吉隆坡 Cheras, 56000