《AFM》综述：可生物降解聚合物在超级电容器中的研究进展

以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL

超级电容器（SCs）已经显示出集成到未来可穿戴和植入式电子产品中的巨大潜力，但环境适应性和生物安全性不足限制了它们的进一步发展。在这方面，可生物降解聚合物的应用被认为是对SC进行无害环境处置的理想解决方案策略。具有良好降解性和优异生物相容性的生物降解聚合物在SCs的未来发展中具有不可替代的作用，为其环保处置提供了理想的解决方案策略。近日，来自中国科学院大连化学物理研究所的吴忠帅研究员团队对生物降解聚合物在SCs领域的研究进展和挑战进行了讨论和分析。首先，阐明了现有可生物降解聚合物的分类及其典型结构、性能和制备工艺。随后，总结了可生物降解聚合物在SC不同组分中的主要应用，包括电极、电解质、基底和封装材料。此外，总结了生物降解聚合物基SCs在制备策略和改性方法方面的研究进展，深入探讨了生物降解聚合物在绿色SCs开发过程中的关键作用。最后，简要提出了可生物降解聚合物基SCs的未来前景和面临的挑战。相关论文“Recent Advancements and Perspectives of Biodegradable Polymers for Supercapacitors”于2023年2月8日在线发表于杂志《Advanced Functional Materials》上。

目前，聚合物已经在超级电容器（SCs）的发展中发挥了不可替代的作用，并构成了SC部分部件的主要成分。原料资源丰富，在自然环境中降解为无毒小分子特性的可生物降解聚合物符合环保材料的要求和标准。到目前为止，生物降解聚合物主要有两种类型：i）天然可生物降解聚合物，直接从自然界中的植物或动物中获得，包括淀粉、丝蛋白、壳聚糖、明胶、琼脂等；ii）通过化学合成制备的合成可生物降解聚合物，包括聚己内酯（PCL），聚乳酸，聚柠檬酸二醇酯等。天然和合成可生物降解聚合物都有其吸引人的优势，这使得它们在SC的组装过程中发挥不同的作用。

作者重点介绍了五种具有代表性的天然可生物降解聚合物，包括纤维素（图1）、淀粉（图2）、海藻酸钠（图3）、壳聚糖（图4）和明胶（图5），并概述了它们的结构、生产方法、改性策略以及在SC中的最新应用进展。

天然聚合物具有令人难以置信的可再生性和可生物降解性，其降解产物可以完全被人体吸收。然而，其不规则的分子结构和不固定的分子量导致机械和可加工性能差，降解时间不可控，产品质量不稳定。与天然可生物降解聚合物相比，化学合成方法允许针对目标产品进行人工分子设计，并根据需要在分子链中引入不同类型和数量的官能团，从而使聚合物具有可预测的物理化学性质和可控的降解速率，以满足产品的高性能和新功能的理想要求。作者主要介绍两种最常见的合成生物降解聚合物PCL（图7）和PLA（图8），重点介绍它们的基本性质、制备方法和在SCs中的典型应用。

理想的可生物降解聚合物材料可以在很大程度上影响甚至决定SC的可降解性能。而且，良好的制备工艺也是SCs不同组分制备的关键步骤，严重影响产品的生产效率和成本。SCs的不同组分通常表现出高度不同的形态，这导致它们的制备工艺和技术非常不同。作者详细介绍了基于可生物降解聚合物的不同SCs组分的制备工艺，并进一步讨论未来的发展方向。（1）源自天然可生物降解聚合物的多孔碳是SCs的重要一类电极材料。这些衍生碳材料的制备工艺技术主要包括厌氧碳化、水热碳化，和微波方法，其中厌氧碳化和水热碳化是应用最广泛的两种方法。（2）用于制备电解质的主要可生物降解聚合物包括海藻酸钠、纤维素、淀粉、琼脂、木质素等。这些可生物降解的聚合物具有不同的化学结构，分子链中具有各种亲水极性官能团。此外，亲水基团可以与盐阴离子相互作用，适当增强盐的溶解性和阳离子输运性能，从而激发了更好的电化学应用。直接溶解和化学交联是从可生物降解聚合物制备电解质的两种主要策略。

文章最后，作者对可生物降解聚合物在将来开发可生物降解SCs面临的挑战性进行了分析。首先，关键问题是如何进一步提高SCs中可生物降解聚合物基电解质的综合性能。其次，应探讨如何实现高性能可生物降解聚合物衍生碳电极材料的大规模、低成本制备。第三，迫切需要制备更多具有独特特性的新型合成生物降解聚合物，如弹性好、相容性好等。第四，完全为SC构建所有可生物降解组件是一个具有挑战性但可靠的方向。总而言之，随着电子垃圾的激增和对环境保护的要求，生物降解聚合物以其独特的绿色无害生物降解性，必将受到更多的关注，在储能应用中具有很高的价值。

文章来源：

https://doi.org/10.1002/adfm.202211454

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