Page 24 - 《精细化工》2021年第6期

·1086· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 38 卷

图 5 通过一步溶剂置换法引入甜菜碱或脯氨酸制备抗冻水凝胶（a）；水凝胶在–40 ℃时的抗冻性能（b） [46]
Fig. 5 Preparation of anti-freezing hydrogels by introducing betaine or proline via a one-pot solvent displacement method (a);
The anti-freezing behavior of hydrogels at –40 ℃ (b) [46]

2 抗冻水凝胶在柔性电子领域的应用 11.7%的衰减（图 6b）。在此基础上，LIU 等 [52] 采用
光交联和热引发聚合双化学交联法，在含有 H 2 SO 4
基于抗冻水凝胶的合成策略和水凝胶电子材料 的 EG/H 2 O 溶液中合成了 PVA/PAAm 双网络水凝
的快速发展，具有抗冻性的导电水凝胶能够有效拓 胶，得到的水凝胶在环境温度为–40 ℃时的压缩强
宽水凝胶电子器件的工作温度，近年来在超级电容 度达到 3.5 MPa，离子电导率达到 4.8×10 S/cm。结
–3
器、传感器、电池等 [8,48-49] 柔性电子应用领域吸引了 果发现，即使在–30 ℃的环境温度，以该水凝胶为
科研工作者的广泛关注。 电解质设计的超级电容器在应力压缩下的电容保留
2.1 超级电容器 量几乎为 100%，而且在 180°弯曲下循环使用 4000
水凝胶聚合物电解质结合了液态电解质和固态 次后仍具有 86.5%的电容保留量。最近，科研学者
电解质的优点，不仅具有高离子电导率，而且展示 开发了工作温度更加宽泛的超级电容器。例如，JIN
出较高的柔韧性，对储能装置的设计具有较强适应 等 [53] 将甲基丙烯酰胺功能化的氧化石墨烯（MGO）与
性，已被应用于构建不同功能的超级电容器，而抗 PAAm 交联得到的水凝胶经 EG/H 2 O 溶液浸泡后，组
冻水凝胶电解质更是保证了超级电容器在低温环境 装设计的超级电容器在–30 和 100 ℃分别循环 8000
下的正常工作 [50] 。 和 4000 次后的电容保留量分别达到 93.3%和 76.5%，
RONG 等 [51] 将 PVA 和 LiCl 溶解在 H 2 O/EG 二 而且超级电容器在压缩形变为 80%时具有 94.1%的
元混合溶液中，采用低温凝胶化法合成了抗冻性的 电容保留量。LU 等 [54] 将合成的蒙脱土/聚乙烯醇
PVA 导电水凝胶。其中，EG 的引入降低了凝胶中 （MMT/PVA）水凝胶浸泡在含有H 2SO 4 的DMSO/H 2O
水的冰点，LiCl 则主要用来提供离子导电性，结果 溶剂中，得到具有抗冻性和热稳定性的水凝胶电解
发现，水凝胶在–40 ℃时的离子电导率达到 2.38× 质。研究发现，DMSO 的引入使得凝胶中水的冰点
–3
10 S/cm。而且，EG 分子可以与 PVA 链间形成大 降至–50 ℃，MMT 的引入提高了水凝胶的热稳定性和
量的氢键，诱导 PVA 结晶域的生成，使得水凝胶在 离子导电性，使得水凝胶在–50 和 90 ℃时的电导率
–5
–4
–40 ℃的拉伸应变仍可达到 300%，并且在压缩应变 分别为 1.7×10 和 0.76×10 S/cm。以该水凝胶电解
为 85%时，水凝胶没有出现明显的裂纹。将该水凝 质形成的超级电容器在–50~90 ℃的宽温度范围内
胶组装成超级电容器在–40 ℃时具有 70.6%的电容 具有高的电容量，而且在 10000 次循环后显示出良
保留量，而且具有较好的可逆循环使用性（图 6a）， 好的稳定性，同时在不同的变形（图 6c）和弯曲（图
在–20 ℃下经过 5000 次充放电循环后，只表现出 6d）下仍具有较好的电化学性能和耐久性能（图 6e）。