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随着对能源存储的需求不断增长，能够应对极端条件的电池非常受欢迎。然而，现有的 电池材料受到弱机械性能和易冻性的限制 ，无法在低温和异常机械冲击的下稳定存储能量。在此，介绍了一种利用co-nonsolvency和 “盐析” 的协同效应制备 聚乙烯醇水凝胶电解质 的方法，该方法具有独特的 开孔多孔结构 。这种结构由 强聚集 的 聚合物链 组成，并在自由水分子之间含有破坏的氢键。水凝胶电解质同时结合了 高强度 (拉伸强度15.6 MPa)、 耐冻性 (< -77°C)、高质量传输(10倍低过电位)以及 抑制枝晶 和 寄生反应 的稳定性能(30 000次循环)。用聚(n -异丙基丙烯酰胺)和聚(n -叔丁基丙烯酰胺-共丙烯酰胺)水凝胶进一步证明了该方法的高度通用性。这项工作为恶劣环境下的柔性电池开发又迈进了一步。

图文简介

强抗冻水凝胶电解质通过协同 co-nonsolvency和“盐析”的协同作用。A)制造原理图。将PVA/水和PVA/DMSO溶液混合，诱导形成凝胶，然后将凝胶浸泡在盐溶液中进行“盐析”。B)水凝胶电解质的照片。Top:俯视图。下图:侧视图。透明的水凝胶用黄色虚线勾勒出来以方便观察。C)一张展示水凝胶条举起500克重物的照片，显示了它的强度。D)在−30°C扭曲水凝胶条的照片，显示其抗冻能力。

在这里，我们协同利用聚合物混合溶剂的 co-nonsolvency和防冻盐溶液的“盐析”效应(图1A,B)来生产机械坚固(图1C)、防冻(图1D)、高质量传输和无有机溶剂的水凝胶电解质。“盐析”离子，如钾离子(K+)和醋酸盐，在保持高含水量的同时，通过离子促进链聚合有效地增韧水凝胶。

“盐析”和co-nonsolvency的协同效应。水凝胶的结构表征及其对比

Zn||PVA-416||PANi电池在25℃、- 20℃和- 30℃下的电化学性能A-C)电池的倍率性能d - f)电池的电充放电曲线G-I)电池循环性能。插图是不同周期的电充放电曲线。

耐用的软包电池，由水凝胶电解质的机械和热鲁棒性实现。A)软包电池示意图。B)锤击测试设置。用一根金属棒(196克)将“锤头”(164克)与固定在桌子上的自由旋转轴连接起来，构成“锤子”。在撞击事件中，“锤头”被举起到电池上方16厘米处;估计每次撞击事件的能量和力分别为1952 J m−2和130 N。C)玻璃纤维分离器和PVA-416撞击后的照片。D)比较水凝胶电解质的性能与目前技术水平的雷达图。E)汽车碾过软装电池的快照

柔性水电池由于其固有的安全性和成本效益，在未来的柔性电子设备中很有前途，但由于其差的耐温性和抗冲击性而受到限制。本文提出了一种 利用KAc/ZnAc2溶液的共溶性和“盐析”协同作用 ，制备具有 抗冻性能、高机械鲁棒性、增强质量迁移、抑制枝晶和副反应的水凝胶电解质的方法 。用这种水凝胶电解质制成的准固态防冻电池在-20°C、2 A/g温度下表现出超过 3万次循环 的超高容量保持， 并能承受锤子或车辆的反复撞击 。这一策略有望用于更广泛类型的电池系统，并为下一代柔性电池提供一种新的方法。

论文信息

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202211673

通讯作者：加州大学洛杉矶分校(UCLA)贺曦敏

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收录于合集 #水凝胶

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