用于柔性全固态超级电容器的阳离子-π水凝胶电解质：该电解质具有优异的机械变形性能和低温耐受性

《Advanced Science》：Cation–π Hydrogel Electrolyte for Flexible All-Solid-State Supercapacitors with Excellent Mechanical Deformation and Low-Temperature Tolerance

柔性超级电容器通过阳离子-π水凝胶电解质实现机械柔韧性与低温性能突破，其Na+-indole交联网络提供高机械强度（1.8 MPa）和优异抗冻性（-40 °C保留70.9%电容），碳纳米管电极增强电荷传输效率，成功应用于可穿戴设备。

　　近年来，随着可穿戴电子设备的快速发展，对高效、安全且具有良好机械性能的能量存储系统的需求日益增加。这类设备广泛应用于柔性显示屏、健康监测、人工智能等领域，而其稳定运行的关键在于能量存储组件的性能。然而，传统能量存储材料如刚性电极、多孔隔膜和外壳，难以满足柔性电子平台的集成需求。此外，常规液体电解质存在泄漏、短路、环境危害以及潜在爆炸等安全隐患，进一步限制了其在柔性电子中的应用。因此，开发具有优异机械性能和电化学稳定性的新型电解质材料成为研究的重点。

针对上述问题，科学家们提出了一种基于离子-π相互作用的新型柔性超级电容器电解质——水凝胶。这种水凝胶电解质通过将离子-π交联点引入其网络结构，显著提升了其机械强度、离子导电性和抗冻性能。水凝胶的结构设计使其在机械变形和低温环境下仍能保持稳定的电化学性能，从而为下一代可穿戴设备提供可靠的能量支持。这种材料不仅具备高断裂强度（1.8 MPa）和出色的延展性（2185%），还表现出卓越的抗冻能力，即使在-40°C的极端低温下，其电容保持率仍高达70.9%。这些特性使该水凝胶电解质成为高性能柔性超级电容器的理想选择。

水凝胶电解质的制备过程是通过引入含有吲哚基团的单体6-(1-indol-1-yl) hexyl acrylate（IHA），并与钠基材料如钠对苯磺酸（NaSS）进行交联反应，从而形成具有动态结构的离子-π水凝胶网络。这种结构的稳定性得益于离子-π相互作用的强结合力，同时还能在机械应力下快速响应，减少界面位移和接触电阻。通过一系列实验测试，研究人员发现该水凝胶不仅在拉伸和压缩条件下表现出优异的疲劳抗性，而且在循环测试中能够保持其结构完整性，展现出良好的自恢复能力。此外，其离子导电性在低温环境下仍保持较高水平，即使在-40°C时，导电率仍能达到0.4 S m?1，远高于其他抗冻水凝胶材料。

为了进一步提升超级电容器的性能，研究人员采用了基于碳纳米管（CNT）的复合电极。这种电极材料通过将二氧化锰（MnO?）纳米颗粒沉积在CNT纸上，显著增强了电极的比电容和伪电容效应。电化学测试表明，MnO?-CNT电极的比电容高达195.6 F g?1，远高于纯CNT电极的35.2 F g?1。这主要是由于MnO?的氧化还原活性促进了更多的电荷转移和电化学反应。同时，MnO?-CNT电极与水凝胶电解质之间形成了强大的界面结合，这种结合是通过钠羧酸盐与吲哚基团之间的离子-π相互作用实现的。界面结合力的增强有效减少了电极与电解质之间的相对位移和分层现象，从而提高了电荷传输效率和设备的机械稳定性。

在此基础上，研究人员成功构建了一种柔性全固态超级电容器，其结构由两个MnO?-CNT电极和中间的水凝胶电解质组成。电化学性能测试表明，该超级电容器在不同扫描速率下均表现出接近矩形的循环伏安曲线（CV曲线），显示出典型的电容行为。此外，恒流充放电（GCD）曲线呈现出对称的三角形，进一步验证了其良好的充放电性能和快速的可逆氧化还原反应。在0.5 A g?1的电流密度下，超级电容器的比电容达到120.6 F g?1，能量密度为10.7 Wh kg?1，功率密度为200 W kg?1，远超以往报道的超级电容器性能。即便在5000次弯曲循环后，超级电容器仍能保持89.8%的初始电容，这表明其具有出色的机械耐受性和循环稳定性。

更值得注意的是，该超级电容器在低温环境下的表现同样优异。在-40°C时，其电容保持率仍达70.9%，远高于传统水凝胶电解质的性能。这一成果主要归功于水凝胶中离子-π相互作用的稳定性，这些相互作用不仅促进了Li?的快速迁移，还确保了在极端低温下电荷传输的连续性。研究人员还通过电化学阻抗谱（EIS）测试进一步验证了超级电容器在低温下的性能，结果显示其在高频率下表现出极低的电荷转移电阻（R_CT），而在低频率下则显示出良好的离子扩散能力，表明其在复杂环境下的适应性极强。

此外，为了评估超级电容器在高温环境下的稳定性，研究人员还进行了30°C和40°C条件下的性能测试。结果显示，水凝胶电解质在高温下依然保持良好的离子导电性，其比电容分别为142.5 F g?1和162.6 F g?1，表明其具有宽泛的工作温度范围。这种特性对于在不同气候条件下运行的可穿戴设备来说至关重要。同时，超级电容器在不同弯曲角度下也表现出稳定的电容性能，即使在180°的极端弯曲情况下，其比电容仍能保持在较高水平，显示出良好的机械适应性。

在实际应用方面，该超级电容器能够驱动小型电子设备，如LED灯和可穿戴电子手表，即使在低温条件下，也能维持稳定的工作性能。这为可穿戴设备在寒冷环境下的使用提供了可靠的能量支持。同时，超级电容器在-20°C下仍能保持87.6%的电容保持率，且在30天的低温存储后，其性能基本恢复，进一步验证了其在极端环境下的长期稳定性。

综上所述，这项研究为高性能柔性超级电容器的设计提供了新的思路。通过引入离子-π相互作用，水凝胶电解质不仅在机械性能和电化学行为上表现出色，还展现出卓越的低温适应性和高温稳定性。这一创新成果有望推动可穿戴电子设备在更广泛的应用场景中实现稳定、高效的能量存储，为未来智能穿戴技术的发展提供了坚实的技术基础。