《先进功能材料》模量1.67MPa互穿聚合物离子水凝

【科研摘要】

在高平衡水含量(≥90wt%)下合成具有抗张强度和模量(以MPas计)以及可延展性的水凝胶是具有挑战性的，但从应用角度来看很重要。尤其是，此类水凝胶组合物可用于制造海底应用的柔性电子设备，在这些应用中，需要在水下(≈0°C)和高静水压(≤20bar)的水下无风险实施和最佳设备性能。高水含量的水凝胶对促进离子传输是必需的，而机械强度对于在负载下保持稳定的电极-电解质界面是理想的。

最近，拉吉夫·甘地石油技术研究所Umaprasana Ojha研究团队利用互穿聚合物系统策略的补充网络被用来开发离子水凝胶，其在高达96%的高平衡水含量下的拉伸强度和杨氏模量值分别高达2和1.67 MPa。使用Zn和Li离子浸泡的水凝胶作为无障碍的固体电解质，可以制造出具有成本效益，耐用，可充电且具有柔性的电池。这些电池在浸入水中，变形，暴露于火焰，置于高负载下以及在低温条件下工作时，显示出最小的容量损失，这表明了其在海底应用中的可行性。相关论文以题为Supplementary Networking of Interpenetrating Polymer System (SNIPSy) Strategy to Develop Strong & High Water Content Ionic Hydrogels for Solid Electrolyte Applications发表在《Advanced Functional Materials》上。

【主图见析】

示意图1 A)显示使用SNIPSy策略进行水凝胶合成的合成方案，B)示意图显示SNIPSy水凝胶中不同聚合物链段的排列。

图1 在脱水条件下记录的SNIPSy1和相应IPS水凝胶的高分辨率(A)S2p，(B)N1s和(C)C1s XPS峰。

图2 A)PAHz重复单元(CONHNH2)mol%对σT，断裂伸长率和G值的影响，B)SNIPSy1和对照样品的抗张强度与应变图，C)SNIPSy1和SNIPSy1的压缩应力与应变图 对照样品，D)通过改变IPS和PAAm网络中的PEGDA量合成的SNIPSy样品的拉伸强度与应变图，EF)含水量≥90 wt%的不同水凝胶材料的阿什比图，G)拉伸滞后 I)连续五个SNIPSy1平衡薄膜的连续五个循环的压缩磁滞曲线，以及H)在拉伸和压缩模式下记录的不同加载-卸载磁滞循环的耗散能量和残余应变值。

图3 SNIPSy1水凝胶矩形条的数字图像:A)打结，然后拉伸，B)多次扭曲，C)用刀切割，D)圆珠笔穿刺试验，E)吊重，F-G) 压缩至70%，H)释放负载后，I)显示透明性的SNIPSy1水合胶条。

图4 A)基于Zn阳极和LCO涂层的SS阴极的电池制造原理图，B)连接至显示输出电压的数字万用表的电池，C)在不超过50小时的无负载条件下对不对称电池的电势稳定性测试 D)在1 mAg-1电流密度下记录的不对称电池的一个充放电循环。E)完整的非对称电池Zn / SNIPSy1 / LCO-SS的充放电循环记录长达260小时，F)在不同电流密度下记录的完整电池的电压与SC曲线，G)完整电池的耐久性分析 研究了SC和CE的50个循环，H)E和I的初始和最终充放电循环的放大版本)在不同电流密度下评估的满电池的循环性能。

图5 A)在不同弯曲角度下电池的容量保持图，B)弯曲角度对电池SC的影响，C)锤击试验前后的极化曲线，D)电池可以数字化运行 历时一个半月，E)暴露于火(≈350°C)之前和之后的电池充电-放电周期，F)在寒冷，水下和热处理后的不同条件下记录的电池SC 在60 mA g-1时，G)制作的柔性电池可以为戴在手腕上的LED灯供电，H)正常条件下，低温(1°C)，水和低温下的复合条件下电池的充放电曲线 温度(2°C)，负载和水淹没，I)高压缩负载对电池容量的影响，以及J)在低温和高压条件下置于水下的电池能够运行数字时钟。

【总结】

SNIPSy策略可用于合成在高含水量下具有高模量和强度的水凝胶。该策略还有助于改善水凝胶的压缩和滞后行为。所得的水凝胶样品在水合条件下持续各种变形和反复冲击，从而支持其实际可用性。这些水凝胶是适用于不同Zn离子基电池的固体电解质。使用上述水凝胶系统制造的电池能够产生与其液体对应物相似的输出电压。所得电池在低温，高压和水浸条件下表现出足够的性能，表明它们适用于海底应用。该电池在有短暂火灾或水下的情况下也可以安全操作。将来，可以通过改变盐的类型和成分，使用水凝胶作为固体电解质系统来制造一些电池，以进一步优化性能和耐用性。

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