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北京大學翟茂林教授團隊 EEM：超拉伸高導電水凝膠電解質及其一體式柔性超級電容器

2024-08-30 來源：高分子科技

可穿戴電子設備在人機交互、智能娛樂、運動監測、智能醫療等新型領域有著廣泛應用。隨著可穿戴電子設備的發展，對與其配套的柔性儲能器件，如超級電容器的能量儲存能力和抗形變能力提出了更高的要求。然而傳統的水凝膠超級電容器抗拉伸能力有限，難以承受大幅度、多頻次的拉伸，其力學性能及循環使用性能亟待提高。因此，迫切需要探索新的策略及制備方法以滿足可穿戴電子設備實際應用的需求。

近日，北京大學化學與分子工程學院翟茂林教授團隊基于親水聚合物鏈與疏水交聯節點相結合的策略，采用γ射線輻射聚合交聯法合成了聚丙烯酰胺-二乙烯基苯-鋰鹽（PAM-DVB-Li）水凝膠電解質，再于表面原位合成導電聚苯胺作為電極，制備了具有超拉伸高導電性能的親水聚合物-疏水節點凝膠-Li鹽/導電聚合物（PAM-DVB-Li/PANI）一體式柔性超級電容器（圖1）。研究發現輻射法合成的PAM-DVB-Li凝膠電解質力學性能和熱穩定性均優于化學引發劑熱引發合成的凝膠電解質，這主要得益于其均勻的交聯結構和高純度，同時輻射法合成也解決了傳統化學法引發劑殘留對后續苯胺聚合反應引起的局部短路問題，有利于改善一體式超級電容器的電化學性能。

圖1 PAM-DVB-Li/PANI一體式柔性超級電容器的制備流程示意圖、柔性及拉伸性能照片

本工作制備得到的PAM-DVB-Li/PANI一體式柔性超級電容器，其比電容達469 mF/cm²（電流密度0.5 mA/cm²），同時其斷裂伸長率超過3500%，能夠在300%的應變下保持電容不下降，并能夠承受1500%循環拉伸1000次和3000%循環拉伸10次，而且當該一體式柔性超級電容器從3000%的拉伸中恢復時，其水凝膠層恢復了與正常狀態下類似的多孔結構，凝膠網絡的孔徑與形狀幾乎沒有變化，這表明在3000%應變范圍內的循環拉伸不會破壞水凝膠中的聚合物網絡結構（圖2）。PAM-DVB-Li/PANI一體式柔性超級電容器的抗拉伸性能明顯優于文獻報道類似結構的一體式超級電容器。這項工作中提出的新型抗拉伸一體式超級電容器可作為柔性可拉伸電子器件中的儲能裝置，同時疏水交聯策略與輻射合成方法的結合也為制備其它可拉伸柔性電子器件提供了新的思路。

圖2 PAM-DVB-Li/PANI一體式柔性SC的抗拉伸性能及拉伸后SEM圖

該成果以“An Ultrastretchable and Highly Conductive Hydrogel Electrolyte for All-in-One Flexible Supercapacitor With Extreme Tensile Resistance”為題發表于“Energy & Environment Materials”期刊中，該論文的第一作者為北京大學化學與分子工程學院博士生李奕辰，通訊作者為北京大學化學與分子工程學院翟茂林教授。該工作獲得了國家自然科學基金項目的資助（No. 12375336, 11875078)。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/eem2.12820

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（責任編輯：xu）

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