机械稳定且宽温域自修复的双交联水凝胶电解质在柔性超级电容器中的应用研究

针对传统水凝胶电解质机械性能不足、温度适应性差等问题，天津教育委员会资助团队通过一锅法制备了PAM/PVA/HACC双交联网络水凝胶电解质（PPH-0.15）。该材料兼具高拉伸强度（977 kPa）、优异离子电导率（43.23 mS cm?1）及自修复特性，组装的超级电容器在183.44 mF cm?2面电容和16.31 μWh cm?2能量密度下实现81.8%循环稳定性，突破柔性储能器件在机械形变与极端温度下的性能瓶颈。

　　

随着可穿戴电子设备的快速发展，柔性储能器件成为研究热点。传统超级电容器依赖液态电解质，存在机械性能差、易泄漏及温度敏感性等问题。水凝胶电解质因其三维网络结构和离子传导能力被视为理想替代品，但普遍面临机械强度不足、低温冻结/高温失活导致的电化学性能衰减，以及缺乏自修复功能等挑战。天津教育委员会资助团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，通过创新设计双交联网络水凝胶电解质，为上述问题提供了系统性解决方案。

研究团队采用一锅法合成策略，以聚丙烯酰胺(PAM)和聚乙烯醇(PVA)为骨架，引入壳聚糖季铵盐(HACC)构建化学交联（MBAA引发）、氢键和静电相互作用协同的双网络结构。关键技术包括：动态交联网络调控（通过HACC与PAM/PVA的物理缠结）、宽温域稳定性优化（甘油添加降低水分子活性）、电化学性能测试（三电极体系评估面积电容）及机械-自修复特性表征（拉伸/折叠循环实验）。

结果与讨论

1. 材料设计与表征：PPH-0.15水凝胶中，HACC的季铵基团与SO₄^2?静电作用形成高效离子通道，化学交联与物理缠结使拉伸强度达977 kPa，优于同类材料。
2. 电化学性能：组装的超级电容器在1 mA cm^?2电流密度下实现183.44 mF cm^?2面电容，能量密度16.31 μWh cm^?2，10,000次循环后容量保持率81.8%。
3. 环境适应性：-20~60°C范围内电容衰减<15%，归因于甘油-HACC协同抑制冰晶形成和高温水分蒸发。
4. 自修复机制：动态氢键和静电相互作用使划伤后水凝胶在2小时内恢复90%导电性，支撑器件在机械损伤下的持续工作。

结论与意义
该研究通过PAM/PVA/HACC三组分协同效应，首次实现机械强度、宽温域稳定性和自修复能力的统一。HACC的引入不仅增强物理交联网络，其静电作用还优化了离子传输效率。甘油作为低温保护剂与HACC形成氢键网络，显著拓宽工作温度范围。所制备的柔性超级电容器在折叠、拉伸及极端温度下均保持稳定输出，为可穿戴设备在复杂环境中的应用奠定基础。论文通讯作者Zhengzheng Li指出，这种"结构-性能"一体化设计策略对开发下一代智能电解质材料具有普适性指导价值。