超级电容器作为一类重要的储能装置，已被广泛应用于便携式电子产品、电动汽车和发电厂等领域。与金属离子电池相比，超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、安全等优点。然而，传统的超级电容器使用液体电解质存在着体积庞大，难以密封等问题。近年来，研究人员利用凝胶电解质可以很容易地制备出具有重量轻、形状简单等优点全固态超级电容器。为了使全固态超级电容器具有更广泛的应用(例如可穿戴和可植入的电子产品，这些电子产品主要包括人造皮肤、变形传感器、生物医学机器人和人机界面等),就需要制备具有高能量密度、快速充电速度、可拉伸以及具有良好柔性的超级电容器。为此，各种聚合物材料已被用于改善器件的柔韧性和拉伸性。然而，这些可溶性较差的导电聚合物直接聚合会形成堆积球形聚集体使得电极可能面临脆化（应变<10%），接触不良等问题。
鉴于此，来自于美国加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系的贺曦敏教授提出一种通过将表面的坚韧水凝胶层作为增强粘合剂与原本脆弱的微开孔导电聚合物电极复合的简单策略，制备出具有超高质量负载的坚固、低弯曲度电极。并将该电极命名为坚韧的凝胶增强开孔泡沫（TROF）电极。该研究以题为“Tough-Hydrogel Reinforced Low-Tortuosity Conductive Networks for Stretchable and High-Performance Supercapacitors” 的论文发表在最新一期《AdvancedMaterials》上。
文章亮点：(1)作者选取具有优异机械性能、易于物理交联和成分简单的聚乙烯醇（PVA）来构建坚韧的水凝胶层。仅仅添加了微量的水凝胶（0.1 mL cm–2）就显著增强了电极的柔性、可拉伸性和韧性，同时也保持了开放的多孔结构，实现了离子和电子的快速扩散。(2) 当组装成全固态超级电容器时，该器件显示出非常高的面积比电容（5.25 F cm−2）、功率密度（41.28 mW cm–2）、拉伸性（140% 应变拉伸）、韧性（1000 J m–2）和循环稳定性（3500次循环后仍具有95.8%的电容保持率）。(3) TROF电极既可用作承载层以在变形期间保持结构完整性，又可用作可渗透粘合剂以允许导电电极和电解质之间得相互作用。通过表征和电化学测试结果表明，TROF电极得构建有利于电稳定性和机械稳定性。因此，该策略可有望推广到各种导电材料中去。
图1 TROF电极的制备流程图与表征
图2 TROF电极在不同拉伸条件下的电化学性能测试
据悉这是贺曦敏教授今年第5篇AM。
作者简介：
贺曦敏是加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系的助理教授和加州纳米体系研究所（CNSI）的成员。她在剑桥大学获得博士学位并在哈佛大学进行博士后研究。她的主要研包括刺激响应性材料，仿生功能材料，化学和生物传感器，驱动器等，并将其应用于生物医药、环境、机器人和能源领域。她已经在Nature, Nature Chemistry, Science Robotics, Nature Nanotechnology等杂志发表了60余篇高水平论文、书籍和专利。她获得的荣誉包括美国CIFAR AzrieliGlobal Scholar, International Society of Bionic Engineering (ISBE) OutstandingYouth Award, National Science Foundation CAREER Award, Air Force Office ofScientific Research Young Investigator Program (AFOSR YIP) Award, HellmanFellows Award, 以及UCLA Faculty Career Development Award.她的主要研包括生物启发的功能材料，特别是刺激响应性水凝胶和智能材料用于化学和生物传感、软体机器人和能源领域。她关于自调制材料和化学-机械分子分离的研究获得了一系列地区和国际的奖励，并且受到了百余家新闻媒体报道。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100983
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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