近日，吉林大学王贵宾教授团队在高弹性、抗疲劳凝胶电解质的制备及性能研究上取得重要进展。基于水凝胶电解质难以兼具高机械性能、高弹性、柔韧性和抗疲劳性这一关键问题，该团队创新性地报道了一种通过乳液聚合制备的聚丙烯酸丁酯（PBA）乳液微球，并将其作为疏水缔合中心引入聚乙烯醇/聚丙烯酰胺（PVA/PAAm）双网络水凝胶，其中PBA乳液微球表面未反应的双键可以作为交联点进一步与丙烯酰胺进行交联，同时因其疏水性可以有效地吸附疏水单体甲基丙烯酸十六酯（HMA），从而成功制备了一种双网络凝胶电解质。得益于上述作用机制，电解质在保持良好弹性的同时，机械强度显著提升，表现出良好的抗疲劳能力。将其与钼酸铵掺杂的聚吡咯电极组装，制备了可拉伸/压缩超级电容器，器件在0.2mA cm-2的电流密度下，面积电容可以达到288.9 mF cm-2，能量密度可以达到57.4μWh cm-2；在10.0 mA cm-2的电流密度下，面积电容依旧可以达到120.4 mF cm-2，功率密度高达2907.9 μW cm-2。器件在200%的拉伸形变下，经过1000次拉伸-释放循环，比电容保持率可以达到64.5%，在80%的压缩形变下，经过1000次压缩-释放循环，比电容保持率可以达到68.7%。本项研究工作为设计构筑新型的凝胶电解质及可拉伸/压缩超级电容器提供了新的思路。研究成果于2025年2月27日以“Stretchable/Compressible Supercapacitors Based on High-Elasticityand Fatigue-Resistant Hydrogel Electrolyte Cross-Linked byHydrophobic Nanospheres”为题发表在Nano Letters期刊上。

图1 DN-MMs水凝胶电解质合成示意图

通过对比化学交联双网络水凝胶（DN）和聚丙烯酸丁酯（PBA）乳液微球交联双网络水凝胶（DN-MMs）的机械性能，充分说明聚丙烯酸丁酯乳液微球（MMs）可以有效提升凝胶电解质的强度和韧性，同时MMs可以作为能量耗散中心，有效地分散外部应力，维持凝胶电解质结构稳定性。DN-MMs水凝胶电解质也具有优异的弹性和抗疲劳性能，可以作为电解质用于柔性可拉伸/压缩超级电容器。

图2 DN和DN-MMs机械性能比较

DN-MMs水凝胶电解质具有优异的拉伸性能，区别于传统的粘弹性材料，表现出类似于橡胶的弹性行为。同时DN-MMs水凝胶电解质可以承受近千次的循环拉伸而不会进一步产生疲劳损伤。

图3 DN-MMs水凝胶电解质的机械拉伸性能

DN-MMs水凝胶电解质在循环压缩状态下，内部结构依据保持稳定，同样具有优异的抗疲劳性能。

图4 DN-MMs水凝胶电解质的机械压缩性能

器件在50%的拉伸形变下，经过1000次循环，器件的电容保持率可以达到~90%，在100%的拉伸形变下，在1000次循环之后，其电容保持率也可以达到~80%，进一步将拉伸形变增加到200%，在循环之后器件的电容保持率依旧可以达到~65%。

图5 基于DN-MMs水凝胶电解质的可逆拉伸柔性超级电容器的电化学性能

在20%的压缩形变下，经过1000次循环，器件的电容保持率可以达到~91%，在50%的压缩形变下，在1000次循环之后，其电容保持率也可以达到~83%，进一步将压缩形变增加到80%，在循环之后器件的电容保持率依旧可以达到~70%。

图6 基于DN-MMs水凝胶电解质的可逆压缩柔性超级电容器的电化学性能

吉林大学硕士生康贵达为论文第一作者，鲁楠博士为共同第一作者。吉林大学化学学院特种工程塑料教育部工程研究中心王贵宾教授为论文的通讯作者，吉林大学王晟道博士为共同通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金（No. 22075096，U23A20586）和吉林省科技发展计划（20220201104GX，YDZJ202203CGZH028）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05904