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  低溫儲(chǔ)能裝置對(duì)于極端寒冷的氣候來說是必不可少的，如航天探索、極地探索和高海拔活動(dòng)。作為儲(chǔ)能裝置的一個(gè)重要組成部分，電解質(zhì)的抗凍性直接影響到儲(chǔ)能裝置的低溫性能。雖然關(guān)于低熔點(diǎn)的非水電解質(zhì)有相關(guān)研究報(bào)告，但這些非水電解液通常具有成本高、易泄漏、易燃和有毒等缺點(diǎn)。相比之下，作為一種水基固體電解質(zhì)，水凝膠電解質(zhì)繼承了低成本、不易燃和無毒等優(yōu)點(diǎn)，更是解決了液態(tài)水基電解質(zhì)容易泄漏的問題。然而，水凝膠電解質(zhì)中的大量游離水在零下溫度不可避免地會(huì)結(jié)冰，導(dǎo)致離子導(dǎo)電性下降和水凝膠的靈活性喪失，限制了水凝膠固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用。因此提高水凝膠電解質(zhì)的防凍性能對(duì)于拓寬其低溫應(yīng)用是十分有必要的。

  近日，齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）劉利彬教授課題組，利用親水單體丙烯酰胺（AM）和甲基丙烯酰乙基磺基甜菜堿（SBMA）在乙二醇（EG）和稀硫酸的混合溶液中進(jìn)行一步自由基聚合制備了防凍質(zhì)子水凝膠電解質(zhì)polyAS-EG。由于該系統(tǒng)中存在多種離子鍵和氫鍵，該電解質(zhì)顯示出良好的機(jī)械性能和優(yōu)異的防凍性能。水凝膠電解質(zhì)在-50℃時(shí)可以提供高達(dá)1.51 mS cm^-1電導(dǎo)率。質(zhì)子在SBMA的-SO₃^-基團(tuán)上的跳躍遷移和Grotthuss質(zhì)子傳輸機(jī)制是造成高離子電導(dǎo)率的原因，尤其是在聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下，水凝膠電解質(zhì)內(nèi)部大量未凍水間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)為質(zhì)子的快速傳輸提供了保障。用該防凍電解質(zhì)組裝的超級(jí)電容器在-30℃儲(chǔ)存八個(gè)月后比容量保持率高達(dá)92.0%，在-50℃經(jīng)過10000次的超長循環(huán)后仍能保留初始容量的81.5%，更為重要的是，該超級(jí)電容器甚至可以在-70℃的極低溫度下驅(qū)動(dòng)十二個(gè)LED小燈泡照明數(shù)分鐘。

圖1. 抗凍固態(tài)電解質(zhì)各組分之間的相互作用及力學(xué)性能。

圖 2. 固態(tài)電解質(zhì)低溫導(dǎo)電機(jī)理。

圖 3. 固態(tài)電解質(zhì)低溫力學(xué)性能及導(dǎo)電性能。

圖 4. 基于固態(tài)電解質(zhì)的超級(jí)電容器的電化學(xué)性能。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202201679