基于跳跃迁移和Grotthuss质子传输的两性离子水凝胶固态电解质

低温储能装置对于极端寒冷的气候来说是必不可少的，如航天探索、极地探索和高海拔活动。作为储能装置的一个重要组成部分，电解质的抗冻性直接影响到储能装置的低温性能。虽然关于低熔点的非水电解质有相关研究报告，但这些非水电解液通常具有成本高、易泄漏、易燃和有毒等缺点。

相比之下，作为一种水基固体电解质，水凝胶电解质继承了低成本、不易燃和无毒等优点，更是解决了液态水基电解质容易泄漏的问题。然而，水凝胶电解质中的大量游离水在零下温度不可避免地会结冰，导致离子导电性下降和水凝胶的灵活性丧失，限制了水凝胶固态电解质的应用。因此提高水凝胶电解质的防冻性能对于拓宽其低温应用是十分有必要的。

基于此，齐鲁工业大学（山东省科学院）刘利彬教授课题组，利用亲水单体丙烯酰胺（AM）和甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱（SBMA）在乙二醇（EG）和稀硫酸的混合溶液中进行一步自由基聚合制备了防冻质子水凝胶电解质polyAS-EG。由于该系统中存在多种离子键和氢键，该电解质显示出良好的机械性能和优异的防冻性能。水凝胶电解质在-50℃时可以提供高达1.51 mS cm^-1电导率。

质子在SBMA的-SO₃^-基团上的跳跃迁移和Grotthuss质子传输机制是造成高离子电导率的原因，尤其是在聚合物玻璃化转变温度下，水凝胶电解质内部大量未冻水间的氢键网络为质子的快速传输提供了保障。用该防冻电解质组装的超级电容器在-30℃储存八个月后比容量保持率高达92.0%，在-50℃经过10000次的超长循环后仍能保留初始容量的81.5%，更为重要的是，该超级电容器甚至可以在-70℃的极低温度下驱动十二个LED小灯泡照明数分钟。

图1. 抗冻固态电解质各组分之间的相互作用及力学性能。

图 2. 固态电解质低温导电机理。

图 3. 固态电解质低温力学性能及导电性能。

图 4. 基于固态电解质的超级电容器的电化学性能。

该文章以Antifreezing proton zwitterionic hydrogel electrolyte via ionic hopping and Grotthuss transport mechanism towards solid supercapacitor working at −50 °C为题，发表在国际知名期刊Advanced Science上，文章第一作者为齐鲁工业大学（山东省科学院）硕士生孙伟刚。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

投稿请联系contact@scimaterials.cn