东华大学叶长怀/朱美芳院士团队 AFM：柔韧、机械强度高的有机水凝胶用于宽温度范围、柔性固态超级电容器

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随着电子技术的快速进步，柔性能量存储设备，尤其是超级电容器，引起了广泛关注。基于水凝胶的柔性固态超级电容器（SSCs）在可穿戴电子产品领域具有巨大的应用潜力。然而，传统水凝胶存在机械性能差，限制了其实际应用。并且，水凝胶电解质的性能受温度影响大，特别是在低温和高温条件下，性能下降明显。在水凝胶中引入有机溶剂可以提高其抗冻性和减缓其高温的水分挥发，但其离子电导率会显著下降。因此，要制备水凝胶电解质使其同时具有优异的机械性能、高离子导电性、良好的电化学性能和宽工作温度范围仍具有重大挑战。

针对目前挑战，东华大学材料科学与工程学院叶长怀教授、朱美芳院士团队设计了一种同时满足优异机械性能、高离子电导率和宽工作温度范围的有机水凝胶电解质。研究人员以酸酐封端的聚酰亚胺作为大分子交联剂，通过简单的一锅合成、冷冻-解冻和溶剂交换过程制备了具有物理和化学双重交联的聚乙烯醇-聚酰亚胺（PVA-PI）有机水凝胶（图1）。水凝胶中PVA结晶相作为物理交联点，聚酰亚胺端酸酐基团与PVA上羟基反应形成化学交联点，通过大分子PI的引入构建交联密度显著不同的物理和化学双交联网络。这种双交联网络有助于水凝胶在受到外界应力时有效地耗散能量，并且PI与PVA分子链之间可以形成强氢键相互作用，进一步提高水凝胶的韧性。另外，在水凝胶体系中引入 LiCl/DMSO组分赋予了有机水凝胶高离子电导率、优异的抗冻和防干性能。在LiCl浓度为8 M,DMSO含量为33%时，该有机水凝胶的拉伸强度和韧性达到1.28 MPa和2.85 MJ m^-3。在-40至80 °C温度范围内，离子电导率达到0.55至27.50 S m^-1。这些优异性能为开发具有宽温度适应性的强韧水凝胶/有机水凝胶用于柔性电子器件应用提供基础。

图1PVA-PI有机水凝胶的制备过程示意图

在这项工作中，基于DMSO和LiCl的协同抗冻性能，研究人员研究了不同DMSO含量和LiCl浓度对PVA-PI有机水凝胶耐低温性能和离子电导率的影响。即使在-60°C温度下，离子电导率也能达到0.20 S m^-1。与传统水凝胶不同，PVA-PI有机水凝胶在极低温度条件下展现出优异的柔性，并在弯曲和折叠时仍能点亮LED灯（图2）。

图2 PVA-PI有机水凝胶抗冻性和离子电导率表征

由DMSO为33%，LiCl为8 M溶液交换的PVA-PI有机水凝胶组装的超级电容器在-40至80 °C展现出可观的电化学性能。具体来说，在-40至80 °C温度范围内，1.67 mA cm⁻²电流密度下该器件展现出91.1 至139.9 mF cm⁻²面积容量。在50 °C温度下，与水凝胶组装的器件比较（5000次循环，60.4%），有机水凝胶组装的器件在10000次循环圈数下，展现出70.6%的循环稳定性（图3）。

图3 PVA-PI有机水凝胶组装的超级电容器的电化学性能

综上所述，PVA-PI有机水凝胶因具有显著不同交联密度的双重交联网络以及分子链间强氢键相互作用而具有优异的力学性能。此外，当将LiCl/DMSO/H₂O掺入体系中时，PVA-PI有机水凝胶可以在很宽的温度范围内表现出高离子电导率，这归因于DMSO/H₂O混合物的高介电常数以及出色的抗冻和抗干性能。此外，基于PVA-PI有机水凝胶的SSC在-40至80 °C范围内表现出出色的电化学性能，这些超级电容器还具有长期循环稳定性，并在-40和50 °C范围内具有出色的电容保持能力。

该工作以“Mechanically Strong and Tough Organohydrogels for Wide Temperature Tolerant, Flexible Solid-State Supercapacitors”为题发表在Advanced Functional Materials的期刊上。东华大学博士研究生周庆亚为该工作的第一作者，叶长怀教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202405962

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