东华大学刘天西团队《自然·通讯》：冷冻聚合策略构筑耐复杂形变导电聚合物复合水凝胶

来源：高分子科学前沿

近日，东华大学刘天西团队在Nature Communications上发表了题为“Cryopolymerization enables anisotropic polyaniline hybrid hydrogels with superelasticity and highly deformation-tolerant electrochemical energy storage”的研究论文。论文提出了冷冻聚合新策略构筑了耐复杂形变导电聚合物复合水凝胶材料，基于该导电聚合物复合水凝胶的超级电容器具有超高的可拉伸、可压缩、可弯曲性能，在复杂形变条件下具有优异的容量保持率。该论文通讯作者为刘天西教授和张超研究员，第一作者为东华大学博士生李乐。

随着柔性可穿戴电子设备的飞速发展，柔性耐形变储能器件的研究成为热点和前沿领域。可穿戴耐形变超级电容器的制备依赖于获得合适的柔性电极。如何提高电极材料的电化学性能，并且使其具备耐复杂形变的优异力学性能是柔性超级电容器领域中需要解决的重要问题。导电聚合物以其易于制备、价格低廉、高比容量以及化学稳定性好等优点，成为理想的超级电容器电极材料，然而，导电聚合物电极材料普遍存在抗形变能力不足、循环寿命差等瓶颈问题，难以满足新型柔性耐形变超级电容器的迫切要求。

鉴于此，刘天西团队提出了冷冻聚合新策略实现了苯胺单体在冷冻条件下的原位聚合反应，一步实现了聚乙烯醇蜂窝状凝胶网络和聚苯胺三维凝胶网络的纳米复合和高效界面作用，获得了高强高韧的聚乙烯醇-聚苯胺复合水凝胶材料。如图所示，冷冻聚合策略利用溶解有苯胺单体和引发剂分子的聚乙烯醇水溶液为前驱体，采用单向冷冻技术以冰为模板将聚乙烯醇组装成蜂窝孔结构，再经过苯胺单体的冷冻聚合过程得到了聚乙烯醇-聚苯胺复合水凝胶。该聚乙烯醇-聚苯胺复合水凝胶经过多次300%拉伸应变、60%压缩应变和全弯曲过程，均可轻易回复至初始形状，同时具有高强度和耐复杂形变能力。冷冻聚合策略在构建聚乙烯醇-聚苯胺复合水凝胶微观结构调控上颇具特色，该复合水凝胶由取向结构聚乙烯醇微孔道和三维连续的聚苯胺纳米骨架构成。三维连续的聚苯胺纳米骨架为电子传导提供了快速通道，而取向结构聚乙烯醇微孔道和聚苯胺纳米骨架所构成的双连续凝胶网络结构显著改善了电解液的离子扩散动力学过程。基于该聚乙烯醇-聚苯胺复合水凝胶的全固态超级电容器具有高比容量、高能量密度和优异的循环性能，在复杂形变条件下仍可维持稳定的电化学性能。

参考文献：

Le Li, Yu Zhang, Hengyi Lu, Yufeng Wang, Jingsan Xu, Jixin Zhu, Chao Zhang*, Tianxi Liu*. Cryopolymerization enables anisotropic polyaniline hybrid hydrogels with superelasticity and highly deformation-tolerant electrochemical energy storage. Nature Communications, 2020, 11(1), 62.