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Ionically Tunable Gel Electrolytes Based on Gelatin‐Alginate Biopolymers for High‐Performance Supercapacitors

超级电容器 材料科学 电解质 离子电导率 化学工程 储能 生物高聚物 明胶 纳米技术 电化学 电容 聚合物 离子键合 离子 复合材料 电极 化学 有机化学 物理化学 工程类 功率(物理) 物理 量子力学
作者
Pietro Tordi,Verónica Montes‐García,Adrián Tamayo,Massimo Bonini,Paolo Samorı́,Artur Ciesielski
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:21 (33): e2503937-e2503937 被引量:5
标识
DOI:10.1002/smll.202503937
摘要

Abstract The development of sustainable, high‐performance gel polymer electrolytes (GPEs) is crucial for next‐generation energy storage; however, existing materials often exhibit limited mechanical stability, suboptimal ionic transport, or environmental drawbacks. Here, for the first time gelatin‐alginate organohydrogels crosslinked with Cu 2+ and Mn 2+ are used as GPEs for supercapacitors, in combination with Li + incorporation to enhance ionic conductivity and transport. Small‐Angle X‐ray Scattering (SAXS) reveals that the choice of the crosslinking cation governs the nanoscale organization of the polymer network—reflected in distinct correlation lengths—which in turn critically influences ionic transport, mechanical stability, and electrochemical performance. Cu 2+ ‐crosslinked gels achieve the highest areal capacitance (591.8 mF cm −2 ), energy density (82.2 µWh cm −2 ), and power density (1957.8 µW cm −2 ), whereas Mn 2+ ‐crosslinked gels exhibit superior cycling stability (88.3% retention over 5000 cycles). Li + incorporation increases the mechanical flexibility of Mn‐based gels—reducing the compressive modulus by over 60%—enhancing ion mobility and charge storage. Conversely, Cu‐based gels maintain structural integrity while exhibiting improved conductivity. These findings demonstrate how biopolymer‐based GPEs, designed through nanoscale engineering and ion doping, achieve an optimal balance of mechanical robustness and electrochemical performance. By combining scalability and exceptional energy storage capabilities, these materials establish a new paradigm for flexible supercapacitors and sustainable energy technologies.
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