蟹壳的主要成份为甲壳素、蛋白质、生物碳酸钙，除此之外还含有少量的脂肪、虾青素和游离氨基酸等。其中甲壳素脱乙酰基后生成壳聚糖，其用途涵盖医药、保健食品、功能材料及农业多个领域。事实上，近年来，由蟹壳衍生的材料不止一次被用于能源、环境领域。例如，有研究者利用几丁质蛋白纤维作生物模板，制备了中空碳纳米纤维等电极材料，显示出高比容量和出色的循环性能 [1,2]。
蟹壳衍生的材料。图片来源：Nano Lett. [2]
还有研究者以蟹壳为原料，通过热处理的方法成功制备出结晶磷灰石粉末，平均微晶尺寸为 24.4 nm，并将其用于骨/牙齿的植入物 [3]。更有很多研究生靠着螃蟹壳撰写学位论文，成功毕业。
近日，美国马里兰大学胡良兵教授、休斯顿大学姚彦教授等研究者再次将蟹壳变废为宝，他们在Matter 杂志上发表论文，报道了一种具有高机械强度、高离子导电性等优势的壳聚糖-锌（Zn）电解质。使用这种电解质的锌金属电池中，锌负极显示出优异的循环稳定性和倍率性能，沉积的锌片呈现出平行六边形的理想形貌。此外，壳聚糖-Zn电解质不易燃且可生物降解，展示了可持续生物材料用于绿色高效储能系统的光明前景。
壳聚糖-Zn电解质。图片来源：Matter
壳聚糖是一种环境友好、生物可降解的生物聚合物，最丰富的来源就是甲壳类动物（如螃蟹、虾）的外骨骼，它们很容易从海鲜废料中获得。研究者将壳聚糖溶液和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）混合，随后浸入Zn2+饱和溶液，再对材料进行致密化处理，调整水的含量。由于壳聚糖分子含有丰富的羟基和胺基，易于水形成氢键，有利于将水限制在凝胶电解质的纳米级微孔中，减少金属锌负极的副反应，改善电池性能。
壳聚糖-Zn电解质示意图。图片来源：Matter
经过致密化后，微米尺度上没有了明显的孔隙，且Zn2+离子均匀分散在壳聚糖中，–OH基团和–NH2基团与Zn2+离子存在部分配位关系，这意味着，Zn2+离子在壳聚糖-Zn膜中可以起到交联的效果。致密化和锌配位过程，还提高了壳聚糖-Zn膜的机械强度，使其具有7.4 MPa的高拉伸强度，更有利于抑制Zn枝晶的生长和刺穿。
壳聚糖-Zn膜的形态和表征。图片来源：Matter
离子电导率和锌离子的电沉积行为直接影响着电解质的电化学性能。壳聚糖对ZnSO4水溶液具有良好润湿性，有助于充分吸附Zn2+离子。研究者测试了不同含水量（15%-72%）的壳聚糖-Zn电解质的离子电导率，最高可达到71.8 mS cm-1（含水量57%），接近于水性Zn2+电解质溶液。通电后，电极表面沉积的锌片呈现为平行的六边形，这种沉积形貌可减少电解液-锌界面面积以及副反应，防止“死锌”的形成，并降低枝晶穿透隔膜的可能性。
电导率测试及锌片沉积形貌。图片来源：Matter
由壳聚糖-Zn膜构建的电池具有高库仑效率，在10 mA cm-2下循环500次后，库仑效率仍保持在99.7%。作为对比，水性ZnSO4电解质或多孔壳聚糖-Zn电解质，库仑效率较低，且稳定性差。为了评估壳聚糖-Zn电解质在全电池中的性能，研究者采用有机材料PBQS做正极，金属锌做负极。全电池显示出优异的倍率性能，在1、2、5和10 C放电倍率下，容量分别为232、211、186和156 mAh g-1。且400次循环后，依旧具有71%的容量保持率和接近100%的高库仑效率。
壳聚糖-Zn电解质的电化学性能。图片来源：Matter
除了高倍率性能和高容量，壳聚糖-Zn电解质还具有良好的安全性和生物降解性。作为一种充满水溶液的凝胶电解质，壳聚糖-Zn膜不易燃，在火焰灼烧下收缩变软，这确保了锌电池的安全性。由于壳聚糖来源于生物高分子，将电解质埋在土壤中2个月后，便开始发霉、降解，5个月后完全降解。
壳聚糖-Zn电解质的安全性、可持续性和生物降解性。图片来源：Matter
“地壳中的锌含量比锂更丰富，一般来说，开发高性能锌电池更便宜、更安全”，胡良兵教授说，“未来，我们希望电池中的所有组件都是可生物降解的，不仅是材料本身，还包括生物材料的制造过程”。
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