中国科学技术大学，长春应用化学研究所，Adv. Sci.：阳离子水凝胶电解质构建有优异力学稳定性和耐低温性的柔性全固态超级电容器- 大数跨境

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中国科学技术大学，长春应用化学研究所，Adv. Sci.：阳离子水凝胶电解质构建有优异力学稳定性和耐低温性的柔性全固态超级电容器

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2025-10-30

导读：中国科学技术大学，长春应用化学研究所，Advanced Science：设计阳离子-π水凝胶电解质构建具有优异力学稳定性和耐低温性能的柔性全固态超级电容器

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文章信息

设计阳离子-π水凝胶电解质构建具有优异力学稳定性和耐低温性能的柔性全固态超级电容器

第一作者：王琛贝

通讯作者：张强*，卢宇源*

单位：中国科学技术大学，长春应用化学研究所

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研究背景

柔性电子设备在健康监测、柔性显示和智能交互等领域具有广阔前景，但传统液态电解质存在泄漏、低温失效和界面不稳定等问题，限制了其应用。水凝胶电解质因具备优异的柔韧性和离子电导率而受到广泛关注，但仍存在机械强度不足、低温导电性差及界面粘附力有限等挑战。本文提出通过阳离子–π相互作用构筑Na⁺–吲哚稳定网络，以实现兼具高机械性能和优异电化学稳定性的水凝胶电解质。该体系在柔性超级电容器中表现出优异的储能性能、低温耐受性和长期循环稳定性。研究揭示了阳离子–π相互作用在提升水凝胶结构完整性与离子传输效率中的关键作用，为设计新一代高性能柔性储能器件提供了新的思路与方向。

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文章简介

近日，中国科学院长春应用化学研究所张强研究员和卢宇源研究员团队合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Cation–π Hydrogel Electrolyte for Flexible All-Solid-State Supercapacitors with Excellent Mechanical Deformation and Low-Temperature Tolerance”的文章。该文章创新性地采用阳离子-π型水凝胶电解质作为中间层，将其置于两层碳纳米管复合电极（MnO₂-CNT）之间，成功开发出一种兼具卓越力学稳定性与优异耐低温性能的柔性超级电容器。

图1. 超级电容器的组成、结构、性能及应用示意图.

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本文要点

要点一：阳离子-π水凝胶设计实现高力学强度和良好抗疲劳性能

该水凝胶电解质（hydrogel-8-10）在最优配方（8 mol% Na⁺-吲哚相互作用与10 M LiCl）下展现出卓越的综合性能，其断裂强度高达1.8 MPa，断裂伸长率可达2185%。该材料具备优异的抗疲劳特性，在10次拉伸和压缩循环中，其力学滞后率均能保持在86.9%以上。这得益于其内部Na⁺-吲哚动态可逆交联网络，能够在变形过程中通过快速断裂与重构有效耗散能量，并实现结构的自我恢复。这些特性确保了柔性超级电容器在反复形变中维持结构完整与性能稳定，使其成为理想的电解质材料。

图2. a) IHA及hydrogel-x-y的合成示意图。b) 含不同IHA含量的hydrogel-x-2的拉伸应力-应变曲线。c) 不同LiCl浓度下hydrogel-8-y的拉伸应力-应变曲线。d) hydrogel-8-10与已报道水凝胶的性能对比：I) 断裂强度与断裂伸长率；II) 韧性与断裂伸长率。e) hydrogel-8-10在𝜆=1拉伸比下进行10次循环拉伸测试的滞后回线（恢复时间1分钟）。f) hydrogel-8-10在十次循环拉伸测试中的滞后比（n=3）。g) hydrogel-8-10在λ=0.5压缩比下进行10次循环压缩测试的滞后回线（恢复时间1分钟）。h) hydrogel-8-10在十次循环压缩测试中的滞后比（n=3）。i-I) hydrogel-8-y的储能模量G′和损耗模量G″的频率依赖性；II) 在𝜔=10 rad·s−1条件下hydrogel-8-y的储能模量G′和损耗模量G″的应变依赖性；III) hydrogel-8-10在阶跃应变测试（𝛾=1%或200%）中的重复动态应变响应。

要点二：阳离子-π水凝胶设计实现高离子电导率和抗冻性能

离子电导率是影响超级电容器性能的关键因素，hydrogel -8-y在2-10 M的LiCl浓度范围内表现出3.7-3.9 S/m的高离子电导率，其中hydrogel -8-10更达到最优值3.9 S/m，这主要得益于Li⁺与吲哚基团间的阳离子-π相互作用构建的高效离子传输通道；该水凝胶同时展现出卓越的保水性能（400小时后仍保留74.5 wt%水分）和抗冻特性（凝固点低于-50 °C），在-40 °C低温下仍保持0.4 S/m的导电率，显著优于传统PAM水凝胶，并通过-20 °C环境下点亮LED的实验验证了其在柔性低温储能系统中的实际应用潜力。

图3. a) Hydrogel-8-y的离子传导机制示意图。b) 不同LiCl浓度的hydrogel-8-y的离子电导率（n=3）。c) PAM-10与hydrogel-8-10的离子电导率对比（n=3）。d) Hydrogel-8-10的DSC曲线。e) Hydrogel-8-10在不同温度（20 °C、0 °C、-20 °C和-40 °C）下的离子电导率（n=3）。f) Hydrogel-8-10与已报道抗冻水凝胶的离子电导率随温度变化的规律对比。g) Hydrogel-8-10在-20 °C环境下作为导体的实物展示照片。

要点三：高性能复合电极和抗分层界面的设计

MnO₂-CNT电极表现出更大的电化学活性面积（7.5 cm²），而CNT电极的值为2.7 cm²；同时MnO₂-CNT电极的比电容（195.6 F/g）远高于CNT电极（35.2 F/g），这归于MnO₂的氧化还原活性显著提升了电容性能。此外，MnO₂-CNT电极与阳离子-π水凝胶间的粘附强度达到38.2 kPa。

图4. a) MnO₂-CNT电极示意图。b-I) MnO₂-CNT电极的SEM图像。II) C、Mn和O元素的EDS元素分布图。c) MnO₂-CNT电极的XPS谱图：Mn2p轨道区域。d) CNT电极与MnO₂-CNT纸电极的CV曲线。e) MnO₂-CNT电极在含5 mM K3[Fe(CN)6]的1 M KCl溶液中于不同扫描速率（25-200 mV/s）下的CV曲线；f) 对应氧化还原峰电流与扫描速率平方根（ν1/2）的校准曲线。g) CNT电极与MnO₂-CNT电极的EIS图谱，插图为拟合所用的等效电路。h) 通过拉伸粘附测试记录的hydrogel -8-10与MnO₂-CNT电极的粘附测试曲线。i) 拉伸粘附测试测得的hydrogel -8-10与MnO₂-CNT电极的粘附强度（n=3）。j) hydrogel -8-10与MnO₂-CNT电极界面粘附示意图。

要点四：一体化器件设计，实现高能量密度与良好力学稳定性

通过将水凝胶电解质夹在MnO₂-CNT电极间，成功构建出柔性全固态超级电容器。该器件在10-200 mV/s扫描速率下呈现典型矩形CV曲线，在0.5 A/g电流密度下比电容达120.6 F/g，能量密度为10.7 Wh/kg。优异的性能得益于仅0.15 Ω的低电荷转移电阻和高效的离子扩散机制。该电容器展现出卓越的柔韧性（180°弯曲后容量保持102%）和稳定性（5000次循环后容量保持80%），其强界面粘附力有效防止电极-电解质分离，具有为柔性电子器件提供稳定能量供应的应用潜力。

图5. a) 超级电容器结构示意图。b) 超级电容器在25–200 mV·s^-1扫描速率下的循环伏安曲线。c) 超级电容器峰值电流随扫描速率的变化关系。d) 比电容随扫描速率的变化趋势。e) 超级电容器的电化学阻抗谱，插图为拟合采用的等效电路。f) 与已报道超级电容器的电荷转移电阻对比。g) 超级电容器在0.5−10 A·g^-1电流密度下的恒电流充放电曲线。h) 不同电流密度下比电容的变化情况。i) 与已报道碳基超级电容器的能量密度和功率密度对比。j) 不同弯曲角度下超级电容器的比电容保持率。k) 135°弯曲角度经过5000次弯折循环后的比电容保持率。l) 超级电容器经过5000次充放电循环后的比电容保持率。m) 连续5000次循环的充放电曲线。

要点五：器件的优异耐低温性能和实际应用

本研究针对柔性电子设备在极低温环境中的应用需求，系统评估了超级电容器在0 °C、-20 °C和-40 °C下的电化学性能。CV与GCD测试显示，各温度下曲线仍保持近似矩形和对称三角形，表明其具备优异的电容特性与快速可逆的氧化还原反应。比电容从20°C的120.6 F g⁻¹降至-40 °C的85.5 F g⁻¹，保持率达70.9%，优于多数抗冻水凝胶基器件；在-40 °C下仍可实现7.6 Wh kg⁻¹的能量密度。EIS图谱进一步证实其具有低电荷转移电阻和稳定的低温电荷传输性能。此外，该器件在-20°C弯曲至180°时电容几乎无衰减，并在温度恢复后电容完全复原，展现出优异的机械柔性与低温长期稳定性。实际应用中，它可稳定驱动LED灯与电子表，并在手指运动中性能无衰减，显示出在可穿戴设备中的强适用性。

图6. a) 不同温度下扫描速率为10 mV s⁻¹的CV曲线。b) 不同温度下电流密度为0.5 A g⁻¹的GCD曲线。c) 不同温度下的比电容保持率。d) 不同温度下本超级电容器与其他超级电容器的比电容保持率对比。e) 不同温度下超级电容器的能量密度-功率密度拉贡图。f) 不同温度下超级电容器的电化学阻抗谱。g) -20 °C时超级电容器在不同弯曲角度下的比电容保持率。h) -20 °C至20 °C三个循环周期内的比电容保持率。i) -20 °C环境下持续30天的比电容保持率。j) 两个串联超级电容器为I)LED灯和II)电子手表供电的实物图。k) 超级电容器在弯曲状态下为可穿戴电子手表供电的实物图。

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文章链接

Cation–π Hydrogel Electrolyte for Flexible All-Solid-State Supercapacitors with Excellent Mechanical Deformation and Low-Temperature Tolerance

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202509905

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通讯作者简介

张强研究员简介：中国科学院长春应用化学研究所研究员、博士生导师。长期从事脑机接口与可穿戴生物传感器的研究，发表SCI论文70余篇，撰写8部英文专著章节，主编1部英文专著，授权专利8项，主持国家级、省部级及横向项目16项。部分成果被中央电视台、新华社等130余家媒体报道。入选国家级高层次青年人才计划、中国科学院特聘研究岗位、吉林省高层次人才等，获Wiley高下载量作者奖、高被引作者奖、国际先进材料学会青年科学家奖章等荣誉。兼任中国青年科技工作者协会会员、广东院士联合会脑科学与类脑智能专业委员会委员、Cell Reports Physical Science编委。