Page 27 - 《精细化工》2021年第6期

第 6 期 王思恒，等: 抗冻水凝胶的制备及其在柔性电子领域的应用 ·1089·

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Gly、ZnSO 4 、MnSO 4 、硼砂的水溶液形成混合溶液； 度 OH 和 Zn 中电学性能下降问题的出现。实验测
随后凝胶成型得到抗冻的水凝胶电解质，Gly 和硼 得水凝胶在–20 和 50 ℃时的离子电导率分别为
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砂的协同效应有效提升了水凝胶电解质的抗冻性能 5.7×10 和 16.3×10 S/cm（图 8a），拉伸应变均可
和力学性能，使得凝胶中水的冰点降至–60 ℃，而 达到 1400%（图 8b）；该水系电池在–20 和 50 ℃时
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且在–35 ℃时离子电导率达到 1.01×10 S/cm，拉伸 的能量密度分别为 172 和 210 W·h/kg，功率密度分别
应变和压缩强度分别可达到 400%和 1.75 MPa。基 为 6.8 和 11.6 W/g。SUN 等 [64] 开发了一种具有抗冻
于此，抗冻水凝胶电解质的水系 Zn-MnO 2 电池在 性的水凝胶基锌空气电池，结果发现，水凝胶在
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–35 ℃环境温度下的能量密度可达到 25.8 mW·h/cm ， –20 ℃时的离子电导率可达到 1.5×10 S/cm（图 8c），
且经 2000 次循环后的电容保留量仍有 90%。另外， 在–20 ℃柔性电池的比电容和能量密度分别为 754.2
WANG 等 [63] 报道了一种能在–20~50 ℃环境工作的 mA·h/g 和 824.6 mW·h/g，并且在经过 70 次充放电循
NiCo//Zn 电池，抗冻柔性电池由聚丙烯酸钠（PANa） 环后仍然具有良好的电化学性能（图 8d）。
水凝胶作为电解质，避免了传统 PVA 电解质在高浓

图 8 PANa 水凝胶在–20 和 50 ℃的离子电导率（a）；PANa 水凝胶在–20 和 50 ℃的拉伸性能（b） [63] ；水凝胶在–20
和 25 ℃的离子电导率（c）；可充电锌空气电池在不同温度下的恒电流充放电循环曲线（d） [64]
Fig. 8 Ionic conductivity of PANa hydrogel at –20 and 50 ℃ (a); Tensile properties of PANa hydrogel at –20 and 50 ℃
(b) [63] ; Ionic conductivity of hydrogels at –20 and 25 ℃ (c); Galvanostatic charge-discharge cycling curves of the
rechargeable zinc-air battery at different temperatures (d) [64]

基于抗冻水凝胶电解质的柔性电池能在低温环 的潜在应用。基于抗冻水凝胶电解质构筑设计的超
境下工作，然而，提升柔性电池的能量密度和功率 级电容器、传感器、电池等柔性电子器件已取得迅
密度仍然是一个重大挑战，因此，开发具有高工作电 速发展。然而，抗冻水凝胶在柔性电子领域的研究
压的抗冻水凝胶电解质材料是重要的研究方向。另 还处于起步阶段，在抗冻水凝胶的可调性合成、柔
外，开发能够充分利用水凝胶电解质优势的新型电极 性电子器件的结构设计、电子互联与集成制造等实
材料，对于抗冻水凝胶基电池的发展也具有重要意义。 际应用方面面临一些明显的挑战。未来研究方向为：
（1）开发兼具优异机械性能和电化学性能的抗
3 结论与展望
冻水凝胶，以满足柔性电子器件的实际应用需求。
通过向水凝胶中引入溶质离子、离子液体、有 具有压缩性、延展性和自愈合性的抗冻水凝胶多次
机溶剂或抗冻蛋白可以赋予水凝胶抗冻性和一定的 重复使用后，其机械性能出现严重衰减，影响水凝
保水性，拓展了水凝胶柔性电子材料在低温环境下 胶基柔性电子的实际使用性能，亟待进一步对其机