中科院王中林院士：软离子电子学动态交联干离子导电弹性体水凝胶

摘要

软离子导体在多功能离子电子设备中显示出巨大的潜力，但目前使用的凝胶材料存在液体泄漏或蒸发问题。最近，中国科学院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员、王中林院士团队报道了一种具有动态交联结构的干离子导电弹性体。动态交联结构同时赋予其综合优势特性，包括高离子电导率（25°C 时为 2.04 × 10-4 S cm-1）、自愈能力（96% 愈合效率）、可拉伸性（563%）和透明度（78%）。

以这种离子导体为电极，实现了两种软离子电子器件（电致发光器件和摩擦纳米发电机触觉传感器），具有完全自愈和可拉伸的能力。由于没有液体材料，干式离子导电弹性体显示出较宽的工作温度范围，并且离子电子器件实现了出色的稳定性。这些发现为实现高导电性和多功能软干离子导体提供了一种有前景的策略，并证明了它们在软离子电子学或电子学方面的巨大潜力。相关论文以题为Dynamically Crosslinked Dry Ion-Conducting Elastomers for Soft Iontronics发表在《Advanced Materials》上。

主图

示意图1 具有线性 (L)、交联 (C)、动态交联 (DC) 结构的离子导电聚合物基质的图解模型，以及它们的重要性质的比较。

图1 动态交联干冰的结构和表征。a) L-PEO、C-PEO 和 DC-PEO 的结构。b) XRD、c) DSC 和 d) L-PEO、L-PEO/LiTFSI、C-PEO/LiTFSI 和 DC-PEO/LiTFSI 的 TGA。e) L-PEO/LiTFSI、C-PEO/LiTFSI和DC-PEO/LiTFSI在环境条件下的单轴拉伸应力-应变曲线。插图：初始状态和拉伸状态下的 DC-PEO/LiTFSI（应变ε= 400%）。

图2 DC-PEO/LiTFSI 的离子传导特性。a) L-PEO/LiTFSI、C-PEO/LiTFSI 和 DC-PEO/LiTFSI 的离子电导率的阿伦尼乌斯图。b) DC-PEO/LiTFSI 与其他报道的离子导电聚合物的离子导电性、拉伸性和自愈能力的比较。c) 用于 DFT 模拟的动态交联点的结构。d) 在分子链中具有不同构型的 N 和 O 位点上吸附锂离子的结合能。

图3 DC-PEO/LiTFSI 的自愈特性。a) DC-PEO/LiTFSI的自愈机制。双（胺）封端的 PEO 和 1,3,5-三甲酰基苯通过席夫碱反应形成可逆的亚胺键，亚胺键在损坏时裂解并在自主愈合过程后恢复。b）DC-PEO/LiTFSI在原始状态下的单轴拉伸应力-应变曲线，并在完全切割成两块后在室温（20°C）和60°C下愈合不同时间。c) DC-PEO/LiTFSI 被切割 (i)、在室温下愈合 90 小时 (ii) 并拉伸不同应变 (iii, iv) 的光学照片。在 RT 愈合 48 小时之前 (v) 和之后 (vi) 切割的 DC-PEO/LiTFSI 的光学显微镜图像。比例尺：200 µm。d) DC-PEO/LiTFSI 在 60°C 下完全切割和愈合数次后电阻的恢复。

图4 离子电子交流电致发光 (EL) 设备。a) 具有三层夹层结构的 EL 器件的示意图。整个设备本质上是可自我修复的，并且具有高度的可拉伸性。DC-PDMS 和 DC-PEO/LiTFSI 干式 ICE 都是可自愈的。b) EL 器件在交流电压下的工作原理。c) DC-PEO/LiTFSI 和 DC-PDMS 之间的界面：i) 新鲜堆叠在一起；ii) 24 小时后。比例尺：200 µm。d) 分别以 DC-PEO/LiTFSI 和 PAAm 水凝胶作为电极的绿色和蓝色 EL 器件在 2000 Hz 频率下的亮度与外加场的关系。e) 显示双色愈合 EL 器件拉伸至 250% 的照片，同时展示了其自愈能力和拉伸性。f）不同拉伸应变下双色愈合EL器件的相应亮度。

图5 DC-PEO/LiTFSI 干式 ICE 和离子电子 EL 器件的稳定性。a）不同热处理后DC-PEO/LiTFSI干ICE和PAAm水凝胶的电导率和重量。b）不同热处理后DC-PEO/LiTFSI的拉伸曲线。c) 两个蓝花 EL 器件在 80°C 下储存不同时间的照片。优点是以 DC-PEO/LiTFSI 作为电极的 EL 器件，缺点是以 PAAm 水凝胶为电极的 EL 器件。比例尺：5 毫米。EL 器件均在 5 V µm-1 的外加场和 2000 Hz 的频率下发光。DC-PDMS 介电层的厚度为 200 µm。d) 干冰基和水凝胶基 EL 器件在 80°C 下处理不同时间后的相应亮度。从这项工作中获得的测量结果在每个条件下使用三个样品进行复制。

图6 离子电子摩擦纳米发电机（iTENG）触觉传感器。a) iTENG 架构的示意图。整个设备本质上是可自我修复的，并且具有高度的可拉伸性。b) iTENG 在单电极模式下的工作原理。c,d) 通过 1.2 MΩ 电阻接地的 iTENG 的输出电压 (c) 和电流 (d)。e) iTENG 修复损伤前后的电压，以及 f) 在不同拉伸应变下的电压。g) 在弯曲的手上连接了 10 个 iTENG 触觉传感器的触摸面板键盘的图像。比例尺：1 厘米。h) 触摸数字通道的电压分布。

总结

团队已经证明了一种提高干离子导电弹性体离子电导率的有效方法，同时实现了自愈能力、拉伸性和透明度。由于消除了最先进的离子导电凝胶所遭受的液体泄漏或蒸发问题，这种离子导体显示出较宽的工作温度范围和相对较高的热稳定性。这些有利的特性使其在多功能可拉伸/软离子电子学或电子学方面极具前景，例如但不限于本工作中的 EL 器件和 TENG 传感器。此外，这种动态交联策略可以应用于除PEO衍生物以外的其他干离子导电聚合物电解质材料，以促进其在多功能离子电子学/电子学中的应用。最后，该策略也有助于固态电化学能源设备，其中高离子电导率和热稳定性仍然是固体电解质的长期追求。因此，该研究结果不仅证明了干式 ICE 电极的软离子电子学，而且还为高性能固体聚合物电解质制定了通用策略。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202101396

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