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北京大學(xué)翟茂林教授團(tuán)隊(duì) EEM：超拉伸高導(dǎo)電水凝膠電解質(zhì)及其一體式柔性超級(jí)電容器
2024-08-30  來(lái)源：高分子科技

  可穿戴電子設(shè)備在人機(jī)交互、智能娛樂(lè)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、智能醫(yī)療等新型領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。隨著可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展，對(duì)與其配套的柔性?xún)?chǔ)能器件，如超級(jí)電容器的能量?jī)?chǔ)存能力和抗形變能力提出了更高的要求。然而傳統(tǒng)的水凝膠超級(jí)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(xué)性能及循環(huán)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(mǎn)足可穿戴電子設(shè)備實(shí)際應(yīng)用的需求。



  近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院翟茂林教授團(tuán)隊(duì)基于親水聚合物鏈與疏水交聯(lián)節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的策略，采用γ射線(xiàn)輻射聚合交聯(lián)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(zhì)，再于表面原位合成導(dǎo)電聚苯胺作為電極，制備了具有超拉伸高導(dǎo)電性能的親水聚合物-疏水節(jié)點(diǎn)凝膠-Li鹽/導(dǎo)電聚合物（PAM-DVB-Li/PANI）一體式柔性超級(jí)電容器（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)輻射法合成的PAM-DVB-Li凝膠電解質(zhì)力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性均優(yōu)于化學(xué)引發(fā)劑熱引發(fā)合成的凝膠電解質(zhì)，這主要得益于其均勻的交聯(lián)結(jié)構(gòu)和高純度，同時(shí)輻射法合成也解決了傳統(tǒng)化學(xué)法引發(fā)劑殘留對(duì)后續(xù)苯胺聚合反應(yīng)引起的局部短路問(wèn)題，有利于改善一體式超級(jí)電容器的電化學(xué)性能。


圖1 PAM-DVB-Li/PANI一體式柔性超級(jí)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(jí)電容器，其比電容達(dá)469 mF/cm2（電流密度0.5 mA/cm2），同時(shí)其斷裂伸長(zhǎng)率超過(guò)3500%，能夠在300%的應(yīng)變下保持電容不下降，并能夠承受1500%循環(huán)拉伸1000次和3000%循環(huán)拉伸10次，而且當(dāng)該一體式柔性超級(jí)電容器從3000%的拉伸中恢復(fù)時(shí)，其水凝膠層恢復(fù)了與正常狀態(tài)下類(lèi)似的多孔結(jié)構(gòu)，凝膠網(wǎng)絡(luò)的孔徑與形狀幾乎沒(méi)有變化，這表明在3000%應(yīng)變范圍內(nèi)的循環(huán)拉伸不會(huì)破壞水凝膠中的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖2）。PAM-DVB-Li/PANI一體式柔性超級(jí)電容器的抗拉伸性能明顯優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道類(lèi)似結(jié)構(gòu)的一體式超級(jí)電容器。這項(xiàng)工作中提出的新型抗拉伸一體式超級(jí)電容器可作為柔性可拉伸電子器件中的儲(chǔ)能裝置，同時(shí)疏水交聯(lián)策略與輻射合成方法的結(jié)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(fā)表于“Energy & Environment Materials”期刊中，該論文的第一作者為北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士生李奕辰，通訊作者為北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院翟茂林教授。該工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助（No. 12375336, 11875078)。


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

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