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 【科研摘要】

柔性超級電容器由于其高功率密度，長期循環壽命和出色的安全性而引起了越來越多的關注。與其他儲能設備一樣，柔性超級電容器在極端寒冷和/或悶熱的氣候下工作時，性能也會嚴重下降，這極大地限制了其實際應用。

最近，同濟大學陳濤教授團隊展示了一種具有高離子傳導性的聚合物水凝膠，用于具有高性能和出色的耐候性的柔性超級電容器。聚合物水凝膠的寬溫度適應性是通過引入二甲基亞砜(DMSO)的添加劑實現的，該添加劑可與水分子和聚合物分子的官能團形成豐富的氫鍵。優化的水凝膠在-20和100°C下分別具有0.82和1.12 S m-1的高離子電導率，與室溫下的電導率相當。使用聚合物水凝膠作為電解質，與之相比，所得的超級電容器不僅顯示出高電化學性能，而且在低溫（-20°C）和高溫（100°C）時均顯示出高達91％和85％的高電容保持率。

此外，即使在-20°C的條件下，開發的超級電容器也具有出色的機械柔韌性。具有寬溫度耐受性的聚合物水凝膠將來很容易實現功能化，并廣泛用于在惡劣環境下工作的其他柔性能源設備和電子產品。相關論文以題為Flexible supercapacitors with high capacitance retention at temperatures from −20 to 100 °C based on DMSO-doped polymer hydrogel electrolytes發表在《Journal of Materials Chemistry A》。

【主圖導讀】

圖1.防凍水凝膠的合成過程示意圖（a）和水凝膠中水，DMSO和聚合物鏈之間的氫鍵相互作用（b）。（c和d）抗凍P（AMPS0.3-co-AAM0.4）水凝膠的FTIR光譜。（e和f）不同放大倍數的P（AMPS0.3-co-AAM0.4）水凝膠的SEM圖像。（g和h）冷凍1周后，拉伸不含DMSO和LiCl的PAAM水凝膠的數碼照片（g）和具有DMSO和LiCl的P（AMPS0.3-co-AAM0.4）水凝膠的數字照片。

圖2（a）具有不同DMSO和LiCl含量的P（AMPS0.3-co-AAM0.4）水凝膠的DSC曲線。（b）不同LiCl含量的P（AMPS0.3-co-AAM0.4）水凝膠的應力-應變曲線。（c）所添加的DMSO P（AMPS0.3-co-AAM0.4）水凝膠的不同含量的離子電導率隨溫度的變化。（d）將抗凍P（AMPS0.3-co-AAM0.4）水凝膠與先前報道的低于零溫度的其他水凝膠的離子電導率進行比較。

圖3基于抗凍P（AMPS0.3-co-AAM0.4）水凝膠的超級電容器在室溫下的電化學性能。（a和b）基于抗凍水凝膠的超級電容器在室溫下的CV和GCD曲線。（c）不同電流密度下的超級電容器的電容。（d）在不同的柔性條件下超級電容器的各種機械變形的數字圖像。（e）在不同彎曲角度下超級電容器的電容保持率。（f）5000次彎曲后超級電容器的電容保持率。裝置在不同彎曲時間下的插入GCD曲線。

圖4使用P（AMPS0.3-co-AAM0.4）水凝膠的CNT/PANI電極型超級電容器的寬溫度范圍操作特性。（a）低溫和高溫下超級電容器的示意圖。（b）在不同的工作溫度下，器件在3.33 mA cm-2下的GCD曲線。（c）在不同工作溫度下超級電容器的比電容。（d）超級電容器在不同工作溫度下的電化學阻抗譜圖（10−2至105 Hz）。（e）在很寬的溫度范圍內循環測試超級電容器的比電容。（f）溫度超級電容器與之前報道的其他電容器的電容保持率的比較。

圖5（a和b）基于串聯的抗凍P（AMPS0.3-co-AAM0.4）的三種抗凍超級電容器的GCD和CV曲線。（c）演示了三個串聯的防凍超級電容器，這些超級電容器在置于室溫，密封在−23.5°C并浸入84.7°C的油浴中時為LED燈泡供電。左側的光學照片表示在平坦狀態下對設備進行了測試。（d）演示設備在25°C，-19°C和97.4°C的螺旋狀態下工作（如左圖所示）。