Design of Hydrogel Electrolytes Using Strong Bacterial Cellulose with Weak Ionic Interactions

细菌纤维素 纤维素 电解质 离子键合 化学工程 材料科学 离子液体 自愈水凝胶 纳米技术 化学 高分子化学 离子 有机化学 电极 物理化学 工程类 催化作用
作者
Yang Yang,Jiansen Ding,Jade Poisson,Ruwei Chen,Gezhi Liu,Kai Wang,Yong Mei Chen,Kai Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c02080
摘要

Hydrogel electrolytes with both high ionic conductivity and sufficient mechanical strength are in great demand but remain a long-standing challenge. Here, we report a simple method to fabricate highly conductive and strong hydrogels (IBVA) by leveraging a layered cellulose network with weak ionic interactions. Specifically, bacterial cellulose (BC) membranes with high crystallinity and mechanical strength are employed as the strong skeletons of the hydrogel matrix. Simultaneously, formate anions with a salting-in effect are introduced to tune the aggregation states of polymer chains, endowing the hydrogel with weak hydrogen bonding, and finally forming a "hard-soft-hard" interlocking hierarchical structure. This strategy enables the hydrogel to achieve an ultrahigh ionic conductivity of 105 ± 5 mS cm-1, alongside satisfying mechanical strength (0.78 MPa), outperforming most reported hydrogel electrolytes. Furthermore, the IBVA hydrogel was successfully demonstrated as an electrolyte for supercapacitors, exhibiting the favorable flexibility, broad temperature adaptability, interfacial stability, and stable electrochemical performance. Our proposed method establishes a framework for engineering high-performance hydrogel electrolytes tailored for flexible electronics.
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