水凝膠做電解質，超級電容器可拉伸可壓縮

知識 08-20

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可穿戴能源設備、軟體機器人等現代電子學的興起，對電解質的性能提出了更高的需求。開發具有高柔韌性、可拉伸-壓縮、高離子電導率，同時兼具高功率密度、較快充放電速率和長循環使用壽命等優點的「軟」電解質成為該領域的迫切需求。但是，目前廣泛使用的聚乙烯醇基（PVA）電解質缺乏足夠的柔韌度，存在不可拉伸-壓縮的缺陷。因此，通常人們多採用引入惰性柔性基底或材料表面構築褶皺、波狀形貌等策略以賦予器件柔韌性。但是，上述策略構築的柔性器件其體積/質量電容較小、可拉伸率偏低（≤100%），而且高拉伸應變情況下電容量衰減明顯。同時該類器件尚未改善不可壓縮狀況，這在極大程度上限制了柔性電容器的應用拓展。

水凝膠具有親水性聚合物網路結構，其體積可基於體系的含水量進行簡便調控，具有優異的可拉伸-壓縮性能。同時，水凝膠體系中的水分可溶解離子，是製備高離子電導率「軟」電解質的理想材料。近日，香港城市大學支春義教授研究團隊和清華大學謝續明教授研究團隊合作，以質子化聚丙烯醯胺（PAM）為聚合物主體，以烯基雜化二氧化硅納米顆粒（VSNPs）為交聯劑組分，製備了高離子電導率的可拉伸可壓縮柔性水凝膠電解質。該水凝膠電解質拉伸率大於1000%，可承受器件自身重量257倍的外加壓縮應力，體積壓縮50%，器件電容量基本不變。

柔性水凝膠電解質的結構及製備示意圖。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

研究團隊以乙烯基三乙氧基硅烷為原料，通過溶膠-凝膠法製備了粒徑為10 nm的VSNPs，然後與丙烯醯胺單體原位聚合製備了具有VSNPs作交聯點的水凝膠電解質。該水凝膠體系中共價鍵連接的VSNPs交聯點在大拉伸應力條件下能夠起到應力耗散的作用，提高了體系的柔韌性。體系中PAM鏈結構中分子間/分子內的可逆氫鍵能夠保持凝膠體系的完整性。凝膠體系中的質子則保證了水凝膠體系的高離子電導率。上述三者的協同效應共同賦予PAM-VSNPs水凝膠電解質優異的柔韌性（耐高拉伸應變、可壓縮）和電化學性質，其離子電導率為17 mS cm-1與PVA/H3PO4電解質體系性能相當。研究團隊通過將PAM-VSNPs電解質膜水凝膠預拉伸（ε ＞1000%），貼合柔性的PPy@CNT紙基電極後釋放預應變，得到了表面具有「褶皺」結構的柔性電容器。

PAM-VSNPs水凝膠電解質微觀形貌及高柔韌性機理。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

研究團隊對PAM-VSNPs基電容器不同拉伸應變條件下循環伏安（CV）曲線、恆電流充/放電曲線（GCD）進行了系統的測試，測試表明隨著拉伸率的增加其電化學性能得到了提升。在1000%拉伸應變條件下GCD和CV曲線推算其電容分別增加了2.6倍和2.2倍。分析表明，在高拉伸條件下電極和電解質的接觸面積增加，參與電化學活動的組分增多，從而導致電容得到有效提升。同時，基於PAM-VSNPs水凝膠體系的高強度，該電容器能夠有效承受壓縮應變，在50%壓縮形變情況下電容仍能保持起始值的99.4%。綜合比較，該體系電容器件其拉伸應變率、可壓縮性以及高應變條件下的性能穩定性都優於以往的報道的相關柔性器件。

PAM-VSNPs基電容器具有優異的柔韌性。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

——總結——

對於現代電子學，電解質的柔韌性無疑成為制約柔性電子器件發展的瓶頸問題之一。該研究將水凝膠體系的高柔韌性引入到電解質體系中，有效解決了傳統PVA基電解質體系的低拉伸應變和不可壓縮等缺陷。基於該PAM-VSNPs水凝膠電解質構築的電容器，其拉伸應變可高達1500%，同時實現了壓縮條件下的性能穩定。該研究成果的推廣應用，將極大地擴展柔性電容器的應用範圍，同時為其他柔性電子器件的設計提供新的理念。

A polyacrylamide hydrogel electrolyte enabled intrinsically 1000% stretchable and 50% compressible supercapacitor

Angew. Chem. Int. Ed.,2017,56, 9141-9145, DOI: 10.1002/anie.201705212

導師介紹

支春義

http://www.x-mol.com/university/faculty/35062

謝續明

http://www.x-mol.com/university/faculty/21063

（本文由甲子湖供稿）

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