【科技自立自强】西安交大科研人员在动态超分子离子导电弹性体研究领域取得新进展

具有离子传导性质和传感功能的聚合物离子导体在柔性离子电子器件领域受到了广泛关注。目前大多数凝胶系的离子导体主要依靠大量的液体为自由离子提供移动环境、共价交联网络提供力学强度;无液体的离子导体通过极性聚合物链和链段运动进行离子传输，聚合物网络结构对离子导体整体性能起着决定性作用。然而，凝胶系离子导体由于液体的存在会导致较差的热稳定性和电化学稳定性，并使力学性能下降，基于共价键的交联网络则会导致聚合物结构不能产生可逆转变，从而难以实现材料自主愈合和可循环使用。无液体的离子导电弹性体因其较弱的链段运动能力使其离子传输受限，导致离子电导率较低。这些源自不同分子机制的不同性质通常是相互矛盾的。因此，设计开发同时具有高离子电导、可拉伸性、高强高韧、自修复功能和可循环使用的聚合物离子导体仍然极具挑战性。

对此，西安交通大学化学学院丁书江教授团队提出了“相锁定”策略，结合动态超分子工程，开发了一类新型离子导体—动态超分子离子导电弹性体(dynamic supramolecular ionic conductive elastomers，DSICE)。通过锁定软相中的聚醚主链用于锂离子(Li+)传输，调控硬相中的动态二硫键和超分子四重氢键产生力学多功能性和自愈能力，精细的结构设计实现了多种性能的完美结合。设计的DSICE具有高离子电导率(30°C时为3.77 × 10-3 S m-1)、高透明度(92.3%)、优异的拉伸性(2615.17%伸长率)、强度(27.83 MPa)和韧性(164.36 MJ m−3)、自愈能力(室温下约为99%)和可回收性。这项工作为设计先进的离子导体提供了一种有趣的策略，并为柔性离电器件或固态电池提供了思路。相关工作以《相锁定策略构筑超韧、自主愈合和可回收的动态超分子离子导电弹性体》(Phase-locked Constructing Dynamic Supramolecular Ionic Conductive Elastomers with Superior Toughness, Autonomous Self-healing and Recyclability)为题发表在《自然通讯》(Nat. Commun)上。

动态超分子离子导电弹性体(DSICE)的分子设计机理示意图

该论文第一作者为西安交通大学化学学院博士研究生陈晶，通讯作者为化学学院丁书江教授。

西安交通大学化学学院丁书江教授团队近年来致力于通过聚合物网络分子结构设计和多相多组分调控策略开发高性能多功能聚合物离子导体材料，与电化学领域交叉融合，实现了聚合物离子导体材料在智能传感和储能领域的应用。团队基于极性链段解离电解质盐和柔性链段传输离子，通过光固化制备了高透明度、高离子导电及可拉伸的离子导电弹性体，并应用于可拉伸触控传感;基于盐调控溶剂凝固点、离子液体的疏水性和磷酸三丁酯的阻燃性分别制备了宽温、疏水、阻燃的功能性离子导电凝胶，并应用于柔性摩擦纳米发电机、触控传感等领域;基于多维度无机填料表面基团与聚合物基体的相互作用，制备了高离子传输和高强度的聚合物复合电解质;并基于聚合物纤维素低维通道疏导离子流抑制锂枝晶生长，基于阴离子受体型聚合物正极材料的设计有效提高聚合物电解质的有效载流子数，大幅增强了全固态电池的循环稳定性。

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