图1. 水/有机两亲性准固态电解质及其内部载流子传输机制示意图
在实际应用中，不安全的有机电解质、窄电化学稳定窗口的水系电解质和低离子电导率的固态电解质日益暴露出其局限性。水/有机两亲性准固态电解质可以同时结合有机电解质、水系电解质和固态电解质的优点，具有广泛的应用前景。然而，准固态电解质的电化学性能（如离子电导率和电化学稳定窗口）通常会表现为竞争关系。因此，系统地设计和调控准固态电解质的关键组分，从动力学和热力学机理上全面探讨两亲性准固态电解质内部的亲疏水动态平衡与储能装置性能之间的关系，以保证其电化学性能符合实际应用标准是至关重要的。
图2. 两亲性准固态电解质（a）设计策略及（b）电化学稳定窗口测试
图3. （a）eAPG-4中电解质分子模型以及动态重组的疏水和亲水结构域；（b-g）Na+与H2O和TMP中的O原子在疏水和亲水结构域中的径向分布函数和配位数分布情况。
准固态电解质内部组分间的相互作用和界面去溶剂化能垒等热力学性质与电化学储能装置的能量密度和循环寿命密切相关。通过结合理论模型和光谱表征揭示了体系的去溶剂化过程、界面分子聚集行为和水分子的存在环境。值得一提的是，光谱表征结果与热力学和动力学分析结果完美匹配和补充，证明了动态自重组的亲水离子传输通道和疏水交联网络对于两亲性准固态电解质设计理念的优势。
图4. （a-e）两亲性准固态电解质中的热力学性质及光谱表征（f）Raman和（g和h）FTIR光谱。
基于理论设计的两亲性准固态电解质的动力学和热力学性能，组装了三明治结构的超级电容器并与商用的聚丙烯隔膜组装的超级电容器进行了比较。电化学储能器件的能量密度、功率密度、循环性能均具有显著优势。
图5. 两亲性准固态电解质和PP隔膜应用于电化学储能设备的电化学性能测试（a）CV、（b）GCD、（c）倍率性能、（d）交流阻抗、（e）循环性能及与（f）不同文献综合性能的对比。
综上所述，作者提出了一种通过动态自重组亲水性离子通道和疏水性交联网络来设计制备准固态电解质的新策略。通过调节聚合物基体的亲水性、体系内部的溶剂化结构和氢键网络，在两亲性准固态电解质中成功构建了快速离子通道和稳定的交联网络。从动力学和热力学的角度对富磺酸盐的亲水快速离子通道和电极/电解质稳定界面进行了全面的研究，均证明了该策略的独特优势。将设计的电解质应用于电化学储能器件中，在2.3 V的工作电压下表现出优异而稳定的电化学性能。这项工作同时也证明了该策略具有广阔的应用前景，可以扩展到各种系统的超级电容器和二次电池的电解质设计中。
华东理工大学化学与分子工程学院的博士生章泽锴为论文的第一作者，穆宏春博士、苏海萍副教授和练成教授为共同通讯作者，该论文同时得到了刘洪来教授和王庚超教授的悉心指导。该工作受到国家重点研发计划、上海市基础研究特区计划、国家自然科学基金和万人计划青年拔尖等项目的资助。
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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