借鉴纳米布沙漠甲虫高效雾水捕集机制,研究团队将具有吸湿特性的三价金属氯化物引入壳聚糖体系,通过一锅法构筑了CTS-M生物质复合气凝胶。其中,金属氯化物既提供酸性环境促进壳聚糖溶解,又作为水分捕获单元和配位中心参与壳聚糖网络构筑;壳聚糖则提供类似天然几丁质的三维多孔支撑骨架,两者协同形成有机-无机复合网络。经氮气气氛高温碳化后,CTS-M可转化为碳/金属氧化物复合气凝胶(C-M2O3)。这一设计使同一前驱体体系能够衍生出分别用于湿度自适应热调控和锌离子储能的功能材料,为多功能气凝胶的设计与构筑提供了新的思路。
面向动力电池热安全防护,CTS-M气凝胶可随环境变化在“湿态柔性缓冲”和“干态隔热防护”两种状态之间切换:在常温常湿环境下,材料吸湿后转变为柔性缓冲状态;受热脱水后,则转变为兼具结构支撑与隔热防护能力的干态。实验结果表明,CTS-M气凝胶吸湿后可承受80%压缩应变而不断裂,并在110°C热板和−196°C冷板测试中均表现出优异的隔热性能,展现出在动力电池热安全防护中的应用潜力。
经高温碳化后获得的C-M2O3复合气凝胶展现出优异的电化学储能性能。以C-V2O3复合气凝胶为正极组装的水系锌离子电池表现出优异的综合性能,在0.1 A g–1电流密度下比容量可达341 mAh g–1,在5 A g–1下循环10000次后容量保持率仍达到85%。进一步构筑的Zn//gelatin//C-V2O3准固态锌离子电池同样表现出良好的器件化应用潜力,串联后电压窗口可拓展至约4.0 V,并成功点亮20个LED灯。