吉林大学王贵宾教授团队 Nano Letters : 高弹性、抗疲劳凝胶电解质的制备及性能研究

柔性电解质是可拉伸/可压缩超级电容器的核心组件，其性能直接关系到器件的综合性能。常用的凝胶电解质通常由氢键、共价键等交联而成。由氢键相互作用形成的凝胶电解质在受到外力作用时，很难快速恢复到初始状态。相比之下，通过共价交联形成的凝胶电解质在一定的形变范围内可以表现出良好的弹性。然而，当形变超过材料的承受范围时，其结构会受到不可逆的损伤。总体而言，在不妥协弹性的情况下提高机械强度仍然是一个亟待解决的问题。研究表明，通过优化交联网络结构制备的凝胶电解质表现出优异的机械性能和高柔韧性。与此同时，抗疲劳性也是凝胶电解质的一个重要性能。根据目前的报道，尽管柔性电解质在柔韧性和抗疲劳性方面的研究取得了重大突破，但能够同时兼具良好的柔韧性、抗疲劳性和高离子传导率的水凝胶电解质仍然很少。

有鉴于此，吉林大学王贵宾教授团队报道了一种通过乳液聚合制备的聚丙烯酸丁酯（PBA）乳液微球，并将其作为疏水缔合中心引入PVA/ PAAm双网络水凝胶，其中PBA乳液微球表面未反应的双键可以作为交联点进一步与丙烯酰胺进行交联，同时因其疏水性可以有效地吸附疏水单体甲基丙烯酸十六酯（HMA），从而成功制备了一种双网络凝胶电解质。得益于上述作用机制，电解质在保持良好弹性的同时，机械强度显著提升，表现出良好的抗疲劳能力。将其与钼酸铵掺杂的聚吡咯电极组装，制备了可拉伸/压缩超级电容器，器件在0.2 mA cm^-2的电流密度下，面积电容可以达到288.9 mF cm^-2，能量密度可以达到57.4 μWh cm^-2；在10.0 mA cm^-2的电流密度下，面积电容依旧可以达到120.4 mF cm^-2，功率密度高达2907.9 μW cm^-2。器件在200%的拉伸形变下，经过1000次拉伸-释放循环，比电容保持率可以达到64.5%，在80%的压缩形变下，经过1000次压缩-释放循环，比电容保持率可以达到68.7%。

通过对比化学交联双网络水凝胶（DN）和聚丙烯酸丁酯（PBA）乳液微球交联双网络水凝胶（DN-MMs）的机械性能，充分说明聚丙烯酸丁酯乳液微球（MMs）可以有效提升凝胶电解质的强度和韧性，同时MMs可以作为能量耗散中心，有效地分散外部应力，维持凝胶电解质结构稳定性。DN-MMs水凝胶电解质也具有优异的弹性和抗疲劳性能，可以作为电解质用于柔性可拉伸/压缩超级电容器。

DN-MMs水凝胶电解质具有优异的拉伸性能，区别于传统的粘弹性材料，表现出类似于橡胶的弹性行为。同时DN-MMs水凝胶电解质可以承受近千次的循环拉伸而不会进一步产生疲劳损伤。

DN-MMs水凝胶电解质在循环压缩状态下，内部结构依据保持稳定，同样具有优异的抗疲劳性能。

器件在50%的拉伸形变下，经过1000次循环，器件的电容保持率可以达到~90%，在100%的拉伸形变下，在1000次循环之后，其电容保持率也可以达到~80%，进一步将拉伸形变增加到200%，在循环之后器件的电容保持率依旧可以达到~65%。

在20%的压缩形变下，经过1000次循环，器件的电容保持率可以达到~91%，在50%的压缩形变下，在1000次循环之后，其电容保持率也可以达到~83%，进一步将压缩形变增加到80%，在循环之后器件的电容保持率依旧可以达到~70%。

本研究工作得到了国家自然科学基金（No. 22075096， U23A20586）和吉林省科技发展计划（20220201104GX，YDZJ202203CGZH028）的支持。

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