IF：30.3！郑州轻大刘春森、河南工大李晶晶《EES》：小分子基超分子-聚合物双网络水凝胶助力宽温域、超拉伸和防水锌空电池|ees|李晶晶|水凝胶|聚合物|超分子

软电子技术的最新发展促进了高变形、可拉伸以及能在宽温度范围内工作的能源供给设备的设计和制造。具有高透明度和可调机械性能的水凝胶离子导体/电解质是软电子器件的核心组件。然而，由于传统水凝胶的脆弱特性，现有的水凝胶电子器件，尤其是能源供给设备，机械韧性较差，仅能承受弯曲等较小变形，而无法承受如扭曲、拉伸、穿刺等更具挑战性的力学形变。尽管近年来开发了韧性水凝胶，但由于缺乏足够的导电性以进行电子通信和强大的界面特性来适应大变形，将韧性水凝胶整合到具有多种功能的可拉伸电子器件中仍然是一个挑战。此外，水凝胶较差的耐温性导致其在极端环境下导电性和柔性丧失，从而严重限制了柔性电子器件的实际应用。

鉴于此，郑州轻工大学刘春森教授、河南工业大学李晶晶博士设计了一种具有小分子基超分子-聚合物双网络（SP-DN）结构的高可拉伸和耐温水凝胶电解质。基于浓 KOH 水溶液，开发的SP-DN水凝胶电解质由一系列鸟苷G-四聚体超分子网络与聚丙烯酰胺（PAAm）网络互穿而成。得到的KOH（6 M）填充的SP-DN水凝胶具有超拉伸性（>1600%）和宽温度耐受性（从-196到100℃）、优异的界面粘附性，以及超高的低温和高温电导率（-50 ℃时为252.2 mS cm–1；100 ℃时为431.7 mS cm–1）。因此，将SP-DN水凝胶用作准固态电解质，实现了高拉伸（>1000%器件级拉伸率）和可穿戴的锌空电池（ZAB）。更有趣的是，无需任何特殊的预处理，制备的可拉伸ZAB具有出色的防水性和耐温性（-50至100 ℃），以及高能量/功率密度和稳定的长循环寿命。该研究为高拉伸和环境适应性能源供给设备的水凝胶电解质的设计提供了一种新的思路。

文章亮点：

1、制备的KOH (6 M) 填充的SP-DN水凝胶表现出显著增强的机械强度和拉伸性，以及对各种电极的优异界面粘附性，这在单网络（SN）超分子或聚合物水凝胶中是不存在的。

2、该水凝胶具有出色的低温抗冻性 (–196 ℃) 和高温保水性(100 ℃)，以及在室温甚至–40、–50 、–80 和 100 ℃ 下的超高电导率 (分别为571.1， 300.1， 252.2，63.2 和 431.7 mS cm–1）。

3、以KOH（6 M）填充的SP-DN水凝胶为准固态电解质，所制备的柔性ZAB具有高度的可拉伸（器件级拉伸率>1000%）、高效的防水性，并且能够在-50至100 ℃ 之间稳定工作。据作者所知，这种具有独特“半开式”电池构型的水系金属-空气电池从未实现过如此高的拉伸性、宽工作温度范围和高效的水稳定性。

这一成果近期发表在Energy & Environmental Science上，文章的第一作者是郑州轻工业大学硕士研究生谷超男和谢晓翘。

相关研究得到了国家自然科学基金委（22072138; 21802033; U1904215）、河南省高校科技创新团队（20IRTSTHN003）的资助。

图1 SP-DN水凝胶的制备及表征

图2 KOH填充的SP-DN水凝胶的性能