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  基于水凝膠電解質(zhì)的儲能器件已得到廣泛關(guān)注，其中引入導電填料或離子是制備導電水凝膠的主流途徑。然而，所添加的導電因子往往會由于結(jié)構(gòu)失配造成凝膠機械性能或電化學性能的下降；同時，凝膠中的水分子易在低/高溫下結(jié)冰/揮發(fā)，對環(huán)境溫度的耐受性較差，極大限制了水凝膠基固體電容器的應用場景。

  針對上述所存在的實際問題，近期浙江工業(yè)大學鄭司雨副研究員，楊晉濤教授課題組和美國阿克倫大學的張冬博士通過快速溶劑置換制備了含有離子液體EMIM-BF4的一種雙網(wǎng)絡兩性離子型離子凝膠電解質(zhì)，其中一層網(wǎng)絡為P(VBIPS-co-AAm)兩性離子化學交聯(lián)網(wǎng)絡，另一網(wǎng)絡為PVA物理網(wǎng)絡。

圖1. 雙網(wǎng)絡兩性離子型PVA/PAS-ILs水凝膠的制備及性能表征。

  所得離子凝膠電解質(zhì)（PVA/PAAm-VBIPS）的性能出色，其中兩性離子型聚合物鏈段（polyVBIPS）提供良好的離子液體保留能力，且為離子提供良好的遷移通道；而PVA網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)則為凝膠提供了能量耗散途徑，提升了凝膠的機械性能。所得凝膠的斷裂強度高達1.9 MPa（圖1），且室溫下電導率高達7.24 mS/cm（圖2）。隨后，以負載了聚苯胺的碳布為電極材料組裝對稱式超級電容器；該兩性離子型凝膠電解質(zhì)在0.5 mA/cm²電流密度下具有227.7 mF/cm²的比電容，且在極端溫度如50 ℃和-20 ℃下仍分別具有108%和94.3%的電容保持率，甚至在-60 ℃的極低溫下仍有177.6 mF/cm²的面積比電容（圖3，4）。此外，該凝膠電解質(zhì)器件的生物毒性較低（圖5），有望應用于植入式器件。

圖2. 雙網(wǎng)絡兩性離子型凝膠的電化學性能。

圖3. 不同溫度下器件的性能。

圖4. 器件的儲能機制分析及能量密度和功率密度對比。

圖5. PVA/PAS-PBS電解質(zhì)的性能表征。

  相關(guān)工作以“Polyzwitterionic Double-Network Ionogel Electrolytes for Supercapacitors with Cryogenic-Effective Stability”為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal，論文第一作者為浙江工業(yè)大學材料學院碩士生王帥兵，共同第一作者為阿克倫大學張冬，通訊作者為浙江工業(yè)大學鄭司雨副研究員、楊晉濤教授。

  文章信息：

  S. Wang, D. Zhang*, X. He, J. Yuan, W. Que, Y. Yang, I. Protsak, X. Huang, C. Zhang, T. Lu, P. Pal, S. Liu, S.Y. Zheng*, J. Yang*, Polyzwitterionic double-network ionogel electrolytes for supercapacitors with cryogenic-effective stability, Chem. Eng. J. 438 (2022) 135607.

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135607