随着可穿戴电子设备和智能柔性器件的迅速发展，兼具高能量密度、优异循环稳定性和快速充放电能力的固态超级电容器（SCs）成为当前能源存储领域的研究热点。作为核心功能组件之一的凝胶电解质，其综合性能直接决定了器件的安全性、稳定性与适用范围。然而，传统的水凝胶电解质仍面临导电性差、力学强度不足、易干裂结冰、界面不稳定、缺乏自愈能力等诸多挑战。此外，材料的可持续性也逐渐成为不可忽视的重要标准。因此，如何构建一种兼具高导电性、柔韧性、自修复性与环境友好性的多功能凝胶电解质，成为柔性储能器件材料设计中的关键问题。
近日，北京林业大学文甲龙和袁同琦教授在期刊《Advanced Functional Materials》上，发表了最新研究成果“Deep Eutectic Solvent Gel Electrolytes Reinforced with Cellulose Nanofibers for High-Performance Flexible Solid-State Supercapacitors”。研究者利用纳米纤维素增强策略，制备了具有宽温度范围、高离子电导率、优异机械韧性、自修复及强黏附性能的多功能离子凝胶电解质，基于该凝胶电解质组装的柔性固态超级电容器，表现出优异的电化学性能与环境耐受性。
图1：多功能离子凝胶电解质和柔性超级电容器的制备过程。
通过优化氯化胆碱：尿素体系摩尔比（1:2），将聚丙烯酸（PAA）、DES和CNF复合，形成了稳定的三维多孔网络结构。由于DES的低挥发性以及CNF与水分子间的氢键相互作用，该材料表现出优异的保水性（80%保水率）和抗冻特性（凝固点-26.0 ℃）。XRD分析表明CNF自身的氢键相互作用减弱，这有利于离子迁移率的提升（离子电导率达到45.5 mS cm⁻¹，比纯水基离子凝胶提升116%）。
图2：离子凝胶电解质在a）20 ℃和b）60 ℃下7天的保水性；c）PAA/DES/CNF离子凝胶（DES3C0.5）的SEM图像；不同DES和CNF质量分数的样品的d）FTIR光谱、e）DSC曲线、f）XRD图谱、g）TGA曲线和h）DTG曲线；i）离子凝胶电解质的离子电导率。
具有刚性骨架结构和丰富羟基基团的CNF，能够与PAA主链及DES之间形成致密且动态的氢键网络，有利于实现凝胶微观结构的高度均一性与致密性。MicroCT三维成像表明，CNF增强后的凝胶内部呈现出更加致密、均一的网络结构。在优化条件（CNF/DES质量比为1:1）下，凝胶电解质拉伸强度可达142 kPa，最大应变322%，且表现出良好的拉伸、压缩恢复能力。循环拉伸测试中出现明显的滞后环，反映出体系具备优异的能量耗散能力。
图3：离子凝胶电解质的力学性能：a）DES3H2O和b）DES3C0.5的MicroCT图像；c）凝胶原始状态、扭曲状态、拉伸至其长度的300%时的照片；d）凝胶刺破和恢复后的状态照片；e）不同凝胶样品的拉伸曲线；f）相应的杨氏模量和韧性；g）DES3C0.5凝胶的在不同应变下的循环拉伸曲线；h）DES3C0.5凝胶的循环拉伸加载-卸载曲线；i）DES3C0.5样品在不同应变范围下的压缩加载-卸载曲线；j）DES3C0.5离子凝胶电解质在50%应变下不同保持时间下的压缩应力-应变曲线。
该凝胶材料展现出出色的界面黏附性能，尤其在金属片、碳布、泡沫镍等多种基底上均能牢固附着，最大黏附强度达到83.1 kPa，有效避免了电极与电解质界面脱层问题；同时，凝胶中引入的大量动态氢键与离子相互作用赋予其优异的自修复特性，在无外力作用下于室温自愈合24小时后，即可恢复结构完整性与良好的离子传导性（离子电导率恢复至原始状态的90%以上），显著提升了器件可靠性与使用寿命。
图4：离子凝胶的自黏附和自修复特性：a）搭接剪切试验过程示意图；DES3C0.5样品在不同基材上的b）黏附强度-位移曲线和c）黏附强度；d）DES3C0.5样品对不同材料的黏附试验照片及低温条件下的黏附稳定性照片；e）DES3C0.5水凝胶与基材的黏附机理示意图；f）DES3C0.5样品切割和自修复后照片及修复前后光学显微图像；g）DES3C0.5自修复前后的奈奎斯特图（插图：自修复前后的离子电导率）；h）DES3C0.5离子凝胶电解质在不同变形下作为导体的性能。
以PAA/DES/CNF离子凝胶为电解质组装的柔性固态超级电容器，在1 A g⁻¹电流密度下实现了94.4 F g⁻¹的高比电容，同时展现出优异的循环稳定性，5000次充放电循环后容量保持率仍达90%以上；器件可在严寒（−20 ℃）、高温（60 ℃）以及多种机械变形（压缩和弯曲）状态下稳定运行，表现出优异的环境适应性与力学柔韧性；在串并联拓展后，可稳定点亮LED负载，进一步验证了其在柔性储能系统中的实际潜力。
图5：基于离子凝胶电解质组装的柔性超级电容器的电化学性能。
图6：基于离子凝胶电解质组装的柔性超级电容器的电化学性能。
通过借助DES的可设计性以及CNF的天然绿色属性和高的机械柔韧性，成功开发出一种兼高离子电导率、优异的力学性能、粘附性、室温自愈性、宽电压窗口和宽温度耐受性于一体的离子凝胶电解质，并具有理想的电化学性能。该凝胶电解质在可穿戴电子、柔性能源系统中具有显著的应用潜力，在推动柔性能源器件材料向绿色、智能、高性能方向发展的同时，也为凝胶电解质的多功能协同优化提供了可行的途径。
北京林业大学博士研究生徐玲花为论文的第一作者，北京林业大学文甲龙教授和袁同琦教授为论文的共同通讯作者。此研究工作得到国家自然科学基金面上项目和北京林业大学5·5工程研究与创新团队项目的支持。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202501263
人物简介：
文甲龙教授简介：北京林业大学教授、博士生导师，木质素高值化利用国家创新联盟秘书长。长期从事木质素结构解译及其高值化利用，生物炼制技术等研究。目前主持/完成国家自然科学基金（4项）、重点研发子课题（3项）等科研项目十余项。以第一作者/通讯作者在ACS Nano, Green Chemistry, Chemical Engineering Journal, Bioresource Technology, ACS Sustainable Chemistry & Engineering等国际期刊发表80余篇（中科院一区Top论文60+），累计入选ESI高被引论文9篇，论文被SCI期刊他引8500余次, H指数54，连续五年（2020-2024年）入选爱思唯尔(Elsevier) 中国高被引学者，连续入选全球前2%顶尖科学家年度和终身榜单（World top 2% scientists），受邀参编木质素相关中英文专著7部，授权中国发明专利15件。曾获得梁希自然科学二等奖(2/5，2021年)、梁希青年论文奖（2014和2016年）、美国化学会会员奖（2015），教育部高等学校科技进步一等奖(10/15, 2015年)。
袁同琦教授简介：北京林业大学教授、博士生导师，木质素高值化利用国家创新联盟理事长。主要从事生物质炼制及木质素化学领域的应用基础研究工作，特别是针对工业木质素的高值化利用取得了一定的研究成果，多项技术已实现产业化应用。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上及青年项目、企业委托横向项目等20余项。相关研究成果在Angewandte Chemie International Edition、ACS Catalysis、Green Chemistry等期刊发表SCI收录论文191篇，其中Top期刊论文135篇，谷歌学术引用12500次、H指数64，连续入选全球前2%顶尖科学家年度和终身榜单（World top 2% scientists。主编《木质素化学》专著1部、参编中/英文专著10部，授权中国发明专利44件。研究成果曾获国家技术发明二等奖（排名第4）、教育部自然科学一等奖（排名第7）、教育部技术发明一等奖（排名第3）、教育部科学技术进步一等奖（排名第2）、中国轻工业联合会科学技术发明一等奖（排名第2、3）、梁希林业科学技术自然科学奖（排名第1）等奖励。
