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  低溫儲能裝置對于極端寒冷的氣候來說是必不可少的，如航天探索、極地探索和高海拔活動。作為儲能裝置的一個重要組成部分，電解質的抗凍性直接影響到儲能裝置的低溫性能。雖然關于低熔點的非水電解質有相關研究報告，但這些非水電解液通常具有成本高、易泄漏、易燃和有毒等缺點。相比之下，作為一種水基固體電解質，水凝膠電解質繼承了低成本、不易燃和無毒等優(yōu)點，更是解決了液態(tài)水基電解質容易泄漏的問題。然而，水凝膠電解質中的大量游離水在零下溫度不可避免地會結冰，導致離子導電性下降和水凝膠的靈活性喪失，限制了水凝膠固態(tài)電解質的應用。因此提高水凝膠電解質的防凍性能對于拓寬其低溫應用是十分有必要的。

  近日，齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）劉利彬教授課題組，利用親水單體丙烯酰胺（AM）和甲基丙烯酰乙基磺基甜菜堿（SBMA）在乙二醇（EG）和稀硫酸的混合溶液中進行一步自由基聚合制備了防凍質子水凝膠電解質polyAS-EG。由于該系統(tǒng)中存在多種離子鍵和氫鍵，該電解質顯示出良好的機械性能和優(yōu)異的防凍性能。水凝膠電解質在-50℃時可以提供高達1.51 mS cm^-1電導率。質子在SBMA的-SO₃^-基團上的跳躍遷移和Grotthuss質子傳輸機制是造成高離子電導率的原因，尤其是在聚合物玻璃化轉變溫度下，水凝膠電解質內部大量未凍水間的氫鍵網絡為質子的快速傳輸提供了保障。用該防凍電解質組裝的超級電容器在-30℃儲存八個月后比容量保持率高達92.0%，在-50℃經過10000次的超長循環(huán)后仍能保留初始容量的81.5%，更為重要的是，該超級電容器甚至可以在-70℃的極低溫度下驅動十二個LED小燈泡照明數分鐘。

圖1. 抗凍固態(tài)電解質各組分之間的相互作用及力學性能。

圖 2. 固態(tài)電解質低溫導電機理。

圖 3. 固態(tài)電解質低溫力學性能及導電性能。

圖 4. 基于固態(tài)電解質的超級電容器的電化學性能。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202201679