目前，直徑為2-20 nm的纖維素納米原纖維具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)層次，已被廣泛用作高分子材料增強(qiáng)劑。因此，研究人員將纖維素納米原纖維用作設(shè)計(jì)的兩性離子型水凝膠電解質(zhì)的機(jī)械增強(qiáng)添加劑。此外，水系鋅錳電池具有安全、環(huán)保、成本低廉、易制造等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于柔性和可穿戴電池的設(shè)計(jì)。

基于此，香港城市大學(xué)的支春義教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于兩性離子型磺基甜菜堿/纖維素的半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠電解質(zhì)（ZSC-gel），該電解質(zhì)在柔性水系Zn-MnO₂電池中具有**的電化學(xué)性能和機(jī)械強(qiáng)度。通過在由纖維素納米原纖維構(gòu)成的骨架中加入 [2-甲基丙烯酰氧基）乙基]二硫-(3-磺丙基)單體，引發(fā)自由基聚合合成了兩性離子型磺基甜菜堿單體來合成水凝膠電解質(zhì)。由于兩性離子基團(tuán)和水分子之間的強(qiáng)靜電相互作用，帶有正負(fù)電荷的兩性離子型電解質(zhì)不僅提供了**的保水性能，而且還構(gòu)建了能促進(jìn)離子遷移的離子通道網(wǎng)絡(luò)，從而使電池獲得了更穩(wěn)定的倍率能力。另外，纖維素納米纖維能**改善水凝膠的機(jī)械性能。由于這些協(xié)同作用，制備的兩性離子水凝膠電解質(zhì)具有24.6 mS cm^-1的高離子電導(dǎo)率和920％的高拉伸性。利用該兩性離子水凝膠電解質(zhì)組裝的Zn-MnO₂電池在6.5 C下顯示出148 mA h g^-1的高容量（基于活性物質(zhì)），在1200次循環(huán)后仍保留了初始容量的90.42％。即使在30 C電流強(qiáng)度下，也能夠進(jìn)行10000次的快速充/放電，其平均容量保持在62 mA h g^-1，顯示出穩(wěn)定的倍率性能。此外，作者利用設(shè)計(jì)的兩性離子水凝膠電解質(zhì)制造了柔性平面和纖維狀電池。作為可穿戴應(yīng)用表征，將三個(gè)柔性電池串聯(lián)成一個(gè)儲(chǔ)能腕帶，可為各種可穿戴電子設(shè)備供電，另外還將四個(gè)纖維狀器件集成到柔性儲(chǔ)能織物中，以在彎曲和拉伸變形時(shí)為兩個(gè)LED燈供電，展示了在可穿戴領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。研究成果以題為“Zwitterionic Sulfobetaine Hydrogel Electrolyte Building Separated Positive/Negative Ion Migration Channels for Aqueous Zn-MnO₂ Batteries with Superior Rate Capabilities”發(fā)布在國(guó)際**期刊Adv. Energy Mater.上。

支春義教授：研究領(lǐng)域主要包括可穿戴儲(chǔ)能器件&傳感器、BN/BCN 納米結(jié)構(gòu)和聚合物復(fù)合材料等。迄今已在 Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. In. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci. 和 ACS Nano 等期刊發(fā)表超過 250 篇學(xué)術(shù)論文，他引次數(shù)超過 16000 次，h 指數(shù)為 69；同時(shí)，專利授權(quán) 70 余項(xiàng)。是多個(gè)期刊的編委成員，應(yīng)邀為 Nature, Nature Commun., Phys. Rev. Lett., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., ACS Nano, Angew. Chem. In. Ed., J. Am. Chem. Soc.等多個(gè)高水平期刊的審稿人。