湖北工业大学李学锋CEJ：高性能、防冻、自愈合全水凝胶柔性超级电容器- 大数跨境

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湖北工业大学李学锋CEJ：高性能、防冻、自愈合全水凝胶柔性超级电容器

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2025-07-04

导读：湖北工业大学李学锋Chemical Engineering Journal：高性能、防冻、自愈合全水凝胶柔性超级电容器

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文章信息

第一作者：湖北工业大学硕士研究生赵雨欣

通讯作者：李学锋教授

第一单位：湖北工业大学

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文章简介

具有充放电速度快、功率密度高、循环稳定性好的柔性超级电容器（FSC）被认为是智能可穿戴电子产品理想的能源储存设备。但对于传统具有“三明治”结构的FSC而言，其电解质/电极异质结构易引起界面接触电阻增加、重复机械变形过程中界面分层脱落，阻碍了电子和离子传输，最终导致FSC电性能快速衰减。近年来，有研究者基于水凝胶在FSC中的应用提出了一体化结构设计策略，如通过原位聚合在水凝胶电解质的表面电化学生长导电聚合物来制备一体化水凝胶FSC。

针对上述问题，湖北工业大学材料化学与工程学院、绿色轻工材料湖北省重点实验室的李学锋教授团队报道了一种具有良好机械性能、防冻性和自愈合性的全水凝胶柔性超级电容器。在两性聚电解质（PA）水凝胶中引入磷酸构建亲水少水的离子传输通道赋予其良好抗冻性能；提出了一种简单易行制备聚离子复合水凝胶（PIC）水凝胶及其电极的新方法——揉捏-热压法，能将电活性物质ACP/PANI掺入量提升至30%，以获得高电导率和面积电容；采用具有相似化学结构电解质/电极解决了界面电阻大、易脱落的问题。相关研究成果以“High-performance, antifreezing and self-healing all-hydrogel flexible supercapacitor”为题发表在国际学术期刊《Chemical Engineering Journal》上。

这项工作的共同作者还包括美国马萨诸塞大学达特茅斯分校的李大鹏研究员，浙江大学吴子良教授，以及湖北工业大学材料与化学工程学院的龙世军副教授和黄以万教授。该研究工作得到国家自然科学基金项目（52073083）和湖北隆中实验室自主创新项目的资助（2022ZZ-16）的资助。

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本文要点

图1 PA 水凝胶电解质制备机理（a）、结构（b）、抗冻性能、（c, d）和自愈合性能（e，f）。

首先采用UV光引发自由基共聚合制备了P(NaSS-co-PMPTC) PA水凝胶，通过掺杂磷酸得到PA-H₃PO₄水凝胶电解质，其在6 M H₃PO₄中达到溶胀平衡后的拉伸强度可达0.76 MPa，且具有适宜的溶胀性能（呈透明状、体积溶胀比为2.15）、良好的导电性能（电导率达到74.42 mS/cm）和自愈合能力，修复前的电导率保留率可达90%左右。磷酸电离后与PA分子中阴阳离子协同构建了富含结合水的少水亲水通道，赋予水凝胶电解质良好的抗冻性，在-30 ℃冷冻处理12 h依然保持透明，扭曲、打结等形变后的拉伸比均能达到4倍以上，且电导率仍能达到48.05 mS/cm（图1）。

图2 PIC水凝胶电极制备机理（a）、SEM图（b）、力学性能（c）、电学性能（d）和自愈合性能（e）。

以ACP、PANI为导电材料，采用简单易行的揉捏-热压法制备了PIC-ACP/PANI水凝胶电极，导电材料掺杂量可达30%。不同ACP/PANI比例下电极的拉伸强度和杨氏模量可达0.8~0.9 MPa和5.0~5.3 MPa。当ACP/PANI比例为15%/15%时，其断裂伸长率达到9.17 mm/mm，显示出良好强度和韧性，控制ACP/PANI总量为30 wt%时的电导率达到31~37 mS/cm；同时电极也表现出优异的自愈合能力，在60℃、120分钟条件下能完全愈合，愈合后的水凝胶电极可承受100g砝码重量，电导率可达到原始电极的91.2%（图2）。

图3 FSC制备机理（a）、界面粘结性能（b）、电性能（c-i）。

在PA水凝胶电解质和PIC水凝胶电极研究基础上组装了全水凝胶超级电容器。相似的化学结构使电极/电解质界面具有良好结合力，180°剥离实验显示仅水凝胶电解质层会发生剥离破坏；在不同扫描速率下的CV和GCD曲线显示出良好的电化学稳定性和高度可逆的充放电行为，采用含15% PANI/15% ACP 的PIC电极时，电容器面积比电容在1 mA/cm²时可达1190 mF/cm²，经过2000次循环，电容保持率达到82.0%，显示了较好的循环稳定性；在不同弯曲角度下，经过5次循环的面积电容保持率均在90%及以上；将4个电容器进行串联可以驱动温湿度计。在-40℃~30℃的温度范围内，随着温度减低，水凝胶超级电容器的面积电容逐渐减小，但在-30℃时其面积电容仍能维持在30℃时的50%（图3）。