圖1.?水/有機兩親性準固態電解質及其內部載流子傳輸機制示意圖
在實際應用中，不安全的有機電解質、窄電化學穩定窗口的水系電解質和低離子電導率的固態電解質日益暴露出其局限性。水/有機兩親性準固態電解質可以同時結合有機電解質、水系電解質和固態電解質的優點，具有廣泛的應用前景。然而，準固態電解質的電化學性能（如離子電導率和電化學穩定窗口）通常會表現為競爭關系。因此，系統地設計和調控準固態電解質的關鍵組分，從動力學和熱力學機理上全面探討兩親性準固態電解質內部的親疏水動態平衡與儲能裝置性能之間的關系，以保證其電化學性能符合實際應用標準是至關重要的。
圖2.?兩親性準固態電解質（a）設計策略及（b）電化學穩定窗口測試
圖3.?（a）eAPG-4中電解質分子模型以及動態重組的疏水和親水結構域；（b-g）Na+與H2O和TMP中的O原子在疏水和親水結構域中的徑向分布函數和配位數分布情況。
準固態電解質內部組分間的相互作用和界面去溶劑化能壘等熱力學性質與電化學儲能裝置的能量密度和循環壽命密切相關。通過結合理論模型和光譜表征揭示了體系的去溶劑化過程、界面分子聚集行為和水分子的存在環境。值得一提的是，光譜表征結果與熱力學和動力學分析結果完美匹配和補充，證明了動態自重組的親水離子傳輸通道和疏水交聯網絡對于兩親性準固態電解質設計理念的優勢。
圖4.?（a-e）兩親性準固態電解質中的熱力學性質及光譜表征（f）Raman和（g和h）FTIR光譜。
基于理論設計的兩親性準固態電解質的動力學和熱力學性能，組裝了三明治結構的超級電容器并與商用的聚丙烯隔膜組裝的超級電容器進行了比較。電化學儲能器件的能量密度、功率密度、循環性能均具有顯著優勢。
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圖5.?兩親性準固態電解質和PP隔膜應用于電化學儲能設備的電化學性能測試（a）CV、（b）GCD、（c）倍率性能、（d）交流阻抗、（e）循環性能及與（f）不同文獻綜合性能的對比。
綜上所述，作者提出了一種通過動態自重組親水性離子通道和疏水性交聯網絡來設計制備準固態電解質的新策略。通過調節聚合物基體的親水性、體系內部的溶劑化結構和氫鍵網絡，在兩親性準固態電解質中成功構建了快速離子通道和穩定的交聯網絡。從動力學和熱力學的角度對富磺酸鹽的親水快速離子通道和電極/電解質穩定界面進行了全面的研究，均證明了該策略的獨特優勢。將設計的電解質應用于電化學儲能器件中，在2.3 V的工作電壓下表現出優異而穩定的電化學性能。這項工作同時也證明了該策略具有廣闊的應用前景，可以擴展到各種系統的超級電容器和二次電池的電解質設計中。
華東理工大學化學與分子工程學院的博士生章澤鍇為論文的第一作者，穆宏春博士、蘇海萍副教授和練成教授為共同通訊作者，該論文同時得到了劉洪來教授和王庚超教授的悉心指導。該工作受到國家重點研發計劃、上海市基礎研究特區計劃、國家自然科學基金和萬人計劃青年拔尖等項目的資助。
Zekai Zhang, Qian He, Hengyi Wang, Changwei Liu, Hongchun Mu*, Haiping Su*, Xia Han, Honglai Liu and Cheng Lian*
Cite This:?CCS Chem.?2024, Just Published. DOI: 10.31635/ccschem.024.202404104
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