水電解質(zhì)具有良好的環(huán)境友好性和良好的離子導電性，是商用有機電解質(zhì)很有前途的替代品。然而，它們的工作電壓窗口很窄(1.23 V)，因此產(chǎn)生的能量密度不足。鹽中水電解質(zhì)(WiSEs)被認為是一種新的方式，可以獲得良好的熱穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性，并具有廣闊的發(fā)展前景(3.0 V的水電池)。在WiSEs中，高濃度的雙鋰(三甲基磺酰亞胺)(LiTFSI) (>20 mol kg -1)有效地使任何可用的水分子與溶解的陽離子形成溶劑鞘結構。其結果是，氫氣和氧氣的演化反應超出了它們的熱力學勢。然而，穩(wěn)定的電位窗口和高離子電導率必須滿足超高濃度，這既不現(xiàn)實也不有效，因為考慮到它們的粘度、成本和溶解度限制。

 

       此外，高粘度加上固有的液體泄漏往往會限制流量性能和安全性。在WiSEs中，高濃度的LiTFSI形成了一個多孔網(wǎng)絡，其中納米水渠保證了離子的傳輸。如果引入非本征離子通道將離子在高離子耦合方向上的運動轉化為沿通道的快速輸運，制備具有優(yōu)異離子導電性和高速率性能的WiSE型電解質(zhì)是有希望的。

 

       吉林大學化學學院湯鈞教授和材料學院張偉教授合作設計了一種新型的由聚丙烯酰胺、殼聚糖和四乙氧基硅烷直接共聚而成的聚丙烯酰胺基水凝膠電解質(zhì)(PACH/SiO2)。高濃度WiSEs中的水分子與水凝膠三維網(wǎng)絡上豐富的羥基和氨基結合形成極性電暈，自發(fā)構建Li+通道。因此，形成了一種基于PACH/SiO2的超高鹽負荷WiSE (HiSE)。重要的是，強離子耦合WiSE通過三維通道轉化為HiSE，水凝膠的存在將進一步降低水的比例，有效抑制不良反應的發(fā)生。HiSE為2.6 V的電化學窗口和51.3 mS cm-1的高離子電導率(WiSEs的5倍)創(chuàng)造了良好的環(huán)境，并具有良好的可操作性和自愈能力。相關論文發(fā)表于J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 24800–24806，并被評選為內(nèi)部前封面和熱點文章。

圖1.柔性自愈HiSE的設計策略和特性

 

       HiSE顯示出卓越的拉伸性能，鹽攜帶能力，熱穩(wěn)定性和水合能力。當浸泡濃度達到10M時，凝膠內(nèi)部H2O：Li+≈3:1, 通過差示掃描量熱法和拉曼對體系中的水進行標定，解釋所有的水分子全部轉變?yōu)榻Y合水，并通過理論計算得出聚合物的水合能力大于離子，揭示了水分子是集合在聚合物骨架上，形成鋰離子通道。

圖2. 模擬的鋰離子通道

 

       利用HiSE集成的雙電層電容器（EDLC）可以產(chǎn)生一個優(yōu)秀的9t綜合性能, 比如：高工作電壓 2.2 V, 高電容的140.1 F g-1, 大能量密度23.54 W h kg-1, 和10000圈以后仍然有91.7%的容量保持率。

圖3. 基于HiSE的EDLC的電化學性能

 

       同時，集成的AC//LiMn2O4鋰離子電池（ALBs）同時也展示了HiSE的多功能性。由于電解液的電壓窗口延長，電池具有清晰的插入峰和良好的速率性能 展現(xiàn)出110.7 mA h g-1at 0.1 A g-1。特別地，新型HiSE的靈活性和自愈能力顯著地促進了柔性EDLCs和ALBs的應用，集成器件表現(xiàn)出優(yōu)異的速率性能。

圖4. 基于HiSE的ALBs的電化學性能