北京理工大学赵飞、赵扬团队AM：​具有电响应性呼吸的导电水凝胶用于宽频动能的收集

从振动机器中回收动能在可持续能源收集方面存在着巨大潜力。然而，振动机器（比如汽车引擎）产生的电信号通常是宽频脉冲的电流和电压，而传统的储能器件（比如电容器和电池）通常基于Faradaic反应和电双层（EDL）机理。然而，Faradaic反应对能源储能的时间过长（数十毫秒），而在传统EDL的扩散层中局部电荷密度较低，无法平衡所施加的瞬态电位，导致对高频脉冲电信号难以有效收集。因此，亟需探索一种可调节的方式来管理高频脉冲的能量以促进其在动能回收中的应用。

近日，北京理工大学的赵飞教授和赵扬特别研究员团队联合开发了一种具有电响应聚合物网络的导电水凝胶（ERG）。其交联点的电响应行为有助于快速形成具有高电荷密度的电解质层，从而在施加电场下实现了快速的电荷传输。同时，基于ERG的微型电容器表现了优异的频率兼容性，即使在高达10,000 Hz的能量输入下，该电容器仍能维持高的比电容~2 mF cm-2。此外，该工作还展示了一种电池充电器，该充电器可有效地从运行的汽车引擎中收集能量。这项研究提出了一种使用集成电化学器件对废弃能源回收的可行策略，为环境能源管理开辟了新的途径。

图1.电响应导电水凝胶（ERG）的概念设计。（A）动能收集过程中的能量转换。（B）ERG中聚合网络的示意图。动态交联点是由包裹着PSS（外壳）的PEDOT（核）构成，其中一些PSS长链穿插固定在PEDOT核中。（C）在施加电场下的电响应性行为。PEDOT导电相表面的电荷分布情况：由于静电相互作用，当PEDOT相注入正电荷时，由氢键动态连接的PSS链靠近PEDOT相，导致电荷密度增加；反之电荷密度降低。

图2. ERG中聚合网络的表征。（A）扫描电子显微镜（SEM）图像显示了颗粒状结构组成的互连框架。（B）ERG的流变测试显示储能模量（G'）大于损耗模量（G''），表明了ERG的良好成胶行为。（C）随着时间的推移，水含量的增加表明了了ERG吸水溶胀的行为；插图：完全溶胀ERG的照片。（D）对比完全干燥的原始PEDOT:PSS和ERG样品的拉曼光谱，表明ERG内部具有更好的π-π 堆叠行为。

图3. ERG电响应行为的实验证明。（A）基于在ERG内建立Donnan平衡（红色曲线）和原始PEDOT:PSS（黑色曲线）的Donnan电势的对比；插图：测试体系中ERG的表面结构。（B）具有不同厚度的ERG的Nyquist图显示了与离子扩散无关的电化学行为。（C和D）施加电场前（左）后（右）ERG的AFM图像显示了电场引起的ERG内部的结构重组，（C）为高度图，（D）为相位图。

图4.基于ERG的微型电容器阵列器件的电化学性能和频率兼容性。（A）基于ERG的微型容器阵列的照片（尺寸：4.5 cm×4.5 cm）；插图：单个微型电容器的照片，具有10个相互交叉的微电极（比例尺：2 mm）。（B）基于ERG的微型电容器阵列器件的充电/放电曲线，10~10,000 Hz。（C）在不同的弯曲次数下，基于ERG的微型电容器阵列器件的柔性测试。（D）基于ERG和基于原始PEDOT:PSS的单个器件的电容随频率变化的对比，表明基于ERG的电容器具有良好的频率兼容性。（E）基于ERG的单个器件与之前报道的基于PEDOT:PSS的超级电容器的频率兼容性（10~1,000 Hz）的对比。

图5. 能量回收系统。（A~C）扬声器振动下能量回收系统的性能。能源回收系统装置的照片（A）和电路图（B）。（C）电池在不同声音场景下的充电情况，例如工业噪音，交通噪音，音乐和雨声场景。（D~F）能量回收系统用于从汽车引擎中收集和存储振动能量。（D）振动能量收集的照片。（E）在引擎空转下回收能量。在振动约为15分钟后，电池可以从2.39 V充电到2.82 V。（F）在汽车行驶下对引擎振动能量的回收。开车前后10分钟，电池可以从1.55 V充电到2.57 V。

小结：该研究证明了导电水凝胶中交联点的电响应行为，并在1~10,000 Hz的宽频范围内表现出了超快响应特性，这主要归因于其独特的结构设计。与传统的凝胶不同，ERG独特拓扑结构（由共轭聚合物（PEDOT）充当交联点，掺杂剂（PSS）作为亲水性外壳）使得凝胶中导电骨架（PEDOT）的表面具有超高电荷密度，远高于室温下饱和电解质溶液所产生的。与此同时，这种独特的结构使聚合网络中维持相对较低的离子浓度，从而确保凝胶和电解质之间有效的电荷转移，因此显著加速了跨电极-电解质界面的传质，近而提高了储能速率。该研究表明，通过优化电化学活性结构可以为振动能源的回收提供有一种可持续和有效的解决方案。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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