顆粒在線訊：隨著柔性電子設(shè)備的發(fā)展，已經(jīng)有多種的柔性導(dǎo)電材料被研發(fā)并實(shí)現(xiàn)市場推廣。其中，導(dǎo)電水凝膠材料因?yàn)槠湓卺t(yī)用設(shè)備和傳感器領(lǐng)域的廣泛引用，已經(jīng)成為最為常用的柔性導(dǎo)電材料之一。但是為了保證導(dǎo)電水凝膠的導(dǎo)電率，凝膠聚合物網(wǎng)絡(luò)中需要引入大量的溶解有鹽的水溶液，因此這類水凝膠具有易脫水、工作溫度范圍狹窄、液體泄漏嚴(yán)重和材料的力學(xué)性能差等問題。

離子凝膠(ICEs)被認(rèn)為是導(dǎo)電水凝膠的理想替代品。眾所周知，離子凝膠主要是是一種分散在離子液體中的聚合物網(wǎng)絡(luò)，因此這類聚合物具備離子液體的許多獨(dú)特特性，包括不揮發(fā)性、不可燃性、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等，這使得在離子凝膠極端環(huán)境下的應(yīng)用具有長期的可靠性。但是為了提高離子凝膠的導(dǎo)電率，增大離子凝膠的含量會導(dǎo)致力學(xué)性能不佳的問題。

近期，中科院化學(xué)所黃偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院納米能源所陳翔宇團(tuán)隊(duì)利用交聯(lián)聚合物、離子液體和鋰鹽制備了具有較高機(jī)械強(qiáng)度和拉伸性能、優(yōu)異的離子電導(dǎo)率、優(yōu)異的透明性、優(yōu)異的耐久性和穩(wěn)定性的離子凝膠。鋰鹽中鋰離子與羰基之間形成的相互作用所引起了微相分離效應(yīng)，因此可以顯著提高離子凝膠中機(jī)械強(qiáng)度和拉伸性的同時解決了離子凝膠中機(jī)械強(qiáng)度和離子電導(dǎo)率之間的矛盾。該材料可以用于應(yīng)變和溫度傳感的電阻型電離學(xué)傳感器和輸出性能穩(wěn)定的摩擦電納米發(fā)電機(jī)。此外，利用數(shù)字光處理印刷技可以利用該材料制備出高分辨率、高精度的離子基微電路和傳感陣列，證明了這種離子凝膠在各種離子電子學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該工作以題為“Mechanically Robust and Highly Conductive Ionogels for Soft Ionotronics”的文章發(fā)表于Advanced Functional Materials上。

Li誘導(dǎo)微相分離離子凝膠的制備及性能表征

該離子凝膠主要由丙烯酰嗎啉(ACMO)、聚氨酯丙烯酸酯(PUA)、離子液體([EMIM][TFSI]，ILs)、雙(三氟甲烷)磺酰亞胺鋰(LiTFSI)組成，再通過光引發(fā)劑(PI 819)在405 nm紫外光源下進(jìn)行光引發(fā)聚合并且實(shí)現(xiàn)凝膠化。PUA是一種雙官能寡聚物，起化學(xué)交聯(lián)劑的作用。在該離子凝膠中，離子液體和LiTFSI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別記為x%和y%（命名為IG-X-Y）。由于鋰離子可以與一些電負(fù)性原子(如羰基中的氧原子)形成非共價鍵相互作用鍵，因此鋰離子優(yōu)先富集在C=O基團(tuán)密度高的區(qū)域(主要是PU的硬段和PACMO段)，在離子凝膠中形成物理交聯(lián)的微區(qū)（富Li+相）。而PU的軟的和離子液體負(fù)極區(qū)域則形成富液相。

研究了LiTFSI的加入對離子凝膠力學(xué)和電學(xué)性能的影響。應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示了不同LiTFSI含量的70 wt.% ILs離子凝膠的拉伸性能。當(dāng)LiTFSI含量從0增加到10%時，離子凝膠的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率均有所增加。IG70%-0%離子凝膠的機(jī)械強(qiáng)度為0.28 MPa，斷裂伸長率為478%，而IG70%-10%離子凝膠的機(jī)械強(qiáng)度高達(dá)2.29 MPa，斷裂伸長率高達(dá)1062%。因此，添加10% LiTFSI后，拉伸強(qiáng)度提高了718%，拉伸性能提高了122%。機(jī)械強(qiáng)度和拉伸性能的增強(qiáng)是由于微相分離效應(yīng)，剛性區(qū)形成了更多的Li-O非共價鍵，將更多離子液體擠壓到富液相。物理交聯(lián)的剛性區(qū)域也增加了離子凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，而更加稀釋的軟區(qū)域增加了其拉伸性。因此，LiTFSI的加入提高了抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率。然而，當(dāng)LiTFSI含量達(dá)到15%時，過量的LiTFSI稀釋了聚合物網(wǎng)絡(luò)，降低了離子凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。

加入LiTFSI后，由于Li離子更傾向于在剛性納米域中與羧基形成Li-O非共價鍵，微相分離更加明顯。同時，離子液體和TFSI -離子傾向于集中在離子凝膠的富液相中，導(dǎo)致富液相具有較高的導(dǎo)電性，連續(xù)的富液相作為有效的離子傳輸通道。綜上所述，鋰鹽的加入使得微相分離，可以顯著提高離子凝膠的力學(xué)性能和離子電導(dǎo)率，解決了離子凝膠中機(jī)械強(qiáng)度和離子電導(dǎo)率之間的矛盾。通過優(yōu)化比例，得到了一種具有高抗拉強(qiáng)度和離子電導(dǎo)率的離子凝膠，其中IG70%-10%的離子電導(dǎo)率為2.18 mS cm-1，抗拉強(qiáng)度為2.29 MPa。相比其他文獻(xiàn)報道類似的離子凝膠，其綜合性明顯更加優(yōu)越。

Li誘導(dǎo)微相分離離子凝膠的應(yīng)用研究

由于這類離子凝膠的優(yōu)異性能，該材料可作為可拉伸摩擦納米發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵材料?；陔x子凝膠的摩擦納米發(fā)電機(jī)（I-TENG）具有較高的拉伸性能，隨著拉伸應(yīng)變從0增加到200%，I-TENG的開路電壓(Voc)、短路電流(Isc)和轉(zhuǎn)移電荷(Qsc)先減小后增大。在大應(yīng)變下輸出信號穩(wěn)定，表明TENG可以在大應(yīng)變下長時間使用。通過測試和計算得知，I-TENG的最大功率密度為157.1 mW m?2，電阻值為5 × 107 Ω。即使在頻率為2Hz的1000次循環(huán)后，I-TENG也顯示出穩(wěn)定的輸出電流信號，沒有明顯的轉(zhuǎn)換波形，證明了I-TENG器件的高耐用性和可靠性。

光敏離子凝膠樹脂固化速度快，可應(yīng)用于DLP 3D打印技術(shù)。采用DLP 3D打印技術(shù)直接在柔性襯底(TPU或VHB)上打印具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微電路和用于自供電觸覺傳感的微陣列。柔性導(dǎo)電微電路和微陣列是完全透明的，可以自由彎曲和拉伸，使它們能夠附著在曲面和人體皮膚上。每個傳感器通過導(dǎo)線連接到相應(yīng)位置的LED，并且可以通過觸摸傳感器單元的不同位置來控制9個LED的照明。，當(dāng)手指分別敲擊編號為3、5、9的傳感器單元時，對應(yīng)的LED會亮起，可見這一觸覺傳感微陣列的精度很高。

小結(jié)：該文章利用鋰離子誘導(dǎo)的微相分離，克服了離子凝膠中機(jī)械強(qiáng)度和離子電導(dǎo)率之間無法兼得的矛盾。采用LiTFSI可以保證離子凝膠導(dǎo)電率的同時，顯著提高機(jī)械強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變。該材料在極端環(huán)境中表現(xiàn)出極高的光學(xué)透明度、出色的耐久性和穩(wěn)定性。該離子凝膠可作為電阻型傳感器應(yīng)用于應(yīng)變傳感和溫度傳感，并且以離子凝膠為材料制備的可拉伸TENGs在高應(yīng)變和長時間應(yīng)用下表現(xiàn)出穩(wěn)定的輸出性能。這是第一次利用鋰鹽增強(qiáng)離子凝膠的力學(xué)性能和離子電導(dǎo)率的研究。結(jié)合高力學(xué)性能、離子電導(dǎo)率、優(yōu)異的印刷性能等優(yōu)異特性，該離子凝膠在傳感、鋰電池和超級電容器等各個領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

來源：高分子科學(xué)前沿