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  水凝膠具有親水性聚合物網(wǎng)絡結構，其體積可基于體系的含水量進行簡便調控，具有優(yōu)異的可拉伸-壓縮性能。同時，水凝膠體系中的水分可溶解離子，是制備高離子電導率“軟”電解質的理想材料。近日，香港城市大學支春義教授研究團隊和清華大學謝續(xù)明教授研究團隊合作，以質子化聚丙烯酰胺（PAM）為聚合物主體，以烯基雜化二氧化硅納米顆粒（VSNPs）為交聯(lián)劑組分，制備了高離子電導率的可拉伸可壓縮柔性水凝膠電解質。該水凝膠電解質拉伸率大于1000%，可承受器件自身重量257倍的外加壓縮應力，體積壓縮50%，器件電容量基本不變。

柔性水凝膠電解質的結構及制備示意圖。

  研究團隊以乙烯基三乙氧基硅烷為原料，通過溶膠-凝膠法制備了粒徑為10 nm的VSNPs，然后與丙烯酰胺單體原位聚合制備了具有VSNPs作交聯(lián)點的水凝膠電解質。該水凝膠體系中共價鍵連接的VSNPs交聯(lián)點在大拉伸應力條件下能夠起到應力耗散的作用，提高了體系的柔韌性。體系中PAM鏈結構中分子間/分子內的可逆氫鍵能夠保持凝膠體系的完整性。凝膠體系中的質子則保證了水凝膠體系的高離子電導率。上述三者的協(xié)同效應共同賦予PAM-VSNPs水凝膠電解質優(yōu)異的柔韌性（耐高拉伸應變、可壓縮）和電化學性質，其離子電導率為17 mS cm-1與PVA/H3PO4電解質體系性能相當。研究團隊通過將PAM-VSNPs電解質膜水凝膠預拉伸（ε ＞1000%），貼合柔性的PPy@CNT紙基電極后釋放預應變，得到了表面具有“褶皺”結構的柔性電容器。

PAM-VSNPs水凝膠電解質微觀形貌及高柔韌性機理。

  研究團隊對PAM-VSNPs基電容器不同拉伸應變條件下循環(huán)伏安（CV）曲線、恒電流充/放電曲線（GCD）進行了系統(tǒng)的測試，測試表明隨著拉伸率的增加其電化學性能得到了提升。在1000%拉伸應變條件下GCD和CV曲線推算其電容分別增加了2.6倍和2.2倍。分析表明，在高拉伸條件下電極和電解質的接觸面積增加，參與電化學活動的組分增多，從而導致電容得到有效提升。同時，基于PAM-VSNPs水凝膠體系的高強度，該電容器能夠有效承受壓縮應變，在50%壓縮形變情況下電容仍能保持起始值的99.4%。綜合比較，該體系電容器件其拉伸應變率、可壓縮性以及高應變條件下的性能穩(wěn)定性都優(yōu)于以往的報道的相關柔性器件。

PAM-VSNPs基電容器具有優(yōu)異的柔韌性。

  對于現(xiàn)代電子學，電解質的柔韌性無疑成為制約柔性電子器件發(fā)展的瓶頸問題之一。該研究將水凝膠體系的高柔韌性引入到電解質體系中，有效解決了傳統(tǒng)PVA基電解質體系的低拉伸應變和不可壓縮等缺陷。基于該PAM-VSNPs水凝膠電解質構筑的電容器，其拉伸應變可高達1500%，同時實現(xiàn)了壓縮條件下的性能穩(wěn)定。該研究成果的推廣應用，將極大地擴展柔性電容器的應用范圍，同時為其他柔性電子器件的設計提供新的理念。

  論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201705212/full