北京大学翟茂林教授团队 EEM：超拉伸高导电水凝胶电解质及其一体式柔性超级电容器

2024-08-30 来源：高分子科技

可穿戴电子设备在人机交互、智能娱乐、运动监测、智能医疗等新型领域有着广泛应用。随着可穿戴电子设备的发展，对与其配套的柔性储能器件，如超级电容器的能量储存能力和抗形变能力提出了更高的要求。然而传统的水凝胶超级电容器抗拉伸能力有限，难以承受大幅度、多频次的拉伸，其力学性能及循环使用性能亟待提高。因此，迫切需要探索新的策略及制备方法以满足可穿戴电子设备实际应用的需求。

近日，北京大学化学与分子工程学院翟茂林教授团队基于亲水聚合物链与疏水交联节点相结合的策略，采用γ射线辐射聚合交联法合成了聚丙烯酰胺-二乙烯基苯-锂盐（PAM-DVB-Li）水凝胶电解质，再于表面原位合成导电聚苯胺作为电极，制备了具有超拉伸高导电性能的亲水聚合物-疏水节点凝胶-Li盐/导电聚合物（PAM-DVB-Li/PANI）一体式柔性超级电容器（图1）。研究发现辐射法合成的PAM-DVB-Li凝胶电解质力学性能和热稳定性均优于化学引发剂热引发合成的凝胶电解质，这主要得益于其均匀的交联结构和高纯度，同时辐射法合成也解决了传统化学法引发剂残留对后续苯胺聚合反应引起的局部短路问题，有利于改善一体式超级电容器的电化学性能。

图1 PAM-DVB-Li/PANI一体式柔性超级电容器的制备流程示意图、柔性及拉伸性能照片

本工作制备得到的PAM-DVB-Li/PANI一体式柔性超级电容器，其比电容达469 mF/cm²（电流密度0.5 mA/cm²），同时其断裂伸长率超过3500%，能够在300%的应变下保持电容不下降，并能够承受1500%循环拉伸1000次和3000%循环拉伸10次，而且当该一体式柔性超级电容器从3000%的拉伸中恢复时，其水凝胶层恢复了与正常状态下类似的多孔结构，凝胶网络的孔径与形状几乎没有变化，这表明在3000%应变范围内的循环拉伸不会破坏水凝胶中的聚合物网络结构（图2）。PAM-DVB-Li/PANI一体式柔性超级电容器的抗拉伸性能明显优于文献报道类似结构的一体式超级电容器。这项工作中提出的新型抗拉伸一体式超级电容器可作为柔性可拉伸电子器件中的储能装置，同时疏水交联策略与辐射合成方法的结合也为制备其它可拉伸柔性电子器件提供了新的思路。

图2 PAM-DVB-Li/PANI一体式柔性SC的抗拉伸性能及拉伸后SEM图

该成果以“An Ultrastretchable and Highly Conductive Hydrogel Electrolyte for All-in-One Flexible Supercapacitor With Extreme Tensile Resistance”为题发表于“Energy & Environment Materials”期刊中，该论文的第一作者为北京大学化学与分子工程学院博士生李奕辰，通讯作者为北京大学化学与分子工程学院翟茂林教授。该工作获得了国家自然科学基金项目的资助（No. 12375336, 11875078)。

原文链接：https://doi.org/10.1002/eem2.12820

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（责任编辑：xu）

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