Advanced Materials:动态交联的干燥离子导体弹性体材料与软体离电子器件

软体离电子器件近十年来受到了广泛关注,其主要依靠电子/离子的共同输运、及在离子/电子导体界面的耦合,来实现电荷的转移和信号的交换。聚合物凝胶(水凝胶和离子凝胶)是目前常用的离子导体,虽然具有很好的拉伸性和透明性,但存在高温溶剂挥发、低温溶剂凝固、液体泄露等问题,从而使聚合物凝胶的离子导电率降低,同时失去拉伸性能,稳定性不足,影响离电子器件的性能。无液相的干燥聚合物离子导体可从根本上克服上述缺陷,但固态聚合物离子导体目前的难点问题是室温离子电导率低。

中科院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员课题组与王中林院士设计制备了一种动态交联结构的PEO基离子导体,室温离子电导率为2.04×10-4 S/cm。与线性和强交联结构的PEO基离子导体相比,动态交联结构的离子导体的优势体现在以下三方面:

一、降低了PEO的结晶度,提高非晶区的比例从而提高离子电导率;

二、与强交联结构相比,动态交联结构的分子链反而具有更高的移动性,有助于提高离子电导率;

三、动态交联点的形成和断裂可以促进Li+在不同分子链上的传导,从而提高离子电导率。

同时,动态化学键赋予离子导体自愈合的功能,室温自主愈合84 h后,力学强度的愈合效率可达96%。交联结构使离子导体展现出弹性体的力学行为,其断裂伸长率可达560%。由于不含溶剂,离子导体具有优异的环境稳定性和宽的可操作温度区间,且在140 oC时,其离子电导率仍保持为2.12×10-3 S/cm。将此离子导体电极应用于类电容式软体离电子器件:摩擦纳米发电机和电致发光器件,制备了整体可愈合的软体离电子器件,提高了器件的环境稳定性,为功能离电子领域提供新思路。

示意图1 具有线性(L)、交联(C)、动态交联(DC)结构的固态聚合物离子导体的分子链模型及各项性能对比
图1 具有线性(L-PEO/LiTFSI)、交联(C-PEO/LiTFSI)、动态交联(DC-PEO/LiTFSI)结构的PEO基固态聚合物离子导体的结构与性能对比。
图2 具有动态交联结构的PEO基离子导体的离子电导率、拉伸性能和自愈合性能与现有的文献报道的离子导体的对比及Li+在不同的N和O原子位点上的吸附能。
图3 (a) DC-PEO/LiTFSI离子导体的自愈合机理及力学和电学的自愈合性能
图4 离电子电致发光器件的结构示意图、工作原理及介电层与电极的界面;两种颜色愈合到一起的离电子电致发光器件的展示及亮度随拉伸倍数的变化。
图5 DC-PEO/LiTFSI离子导体及其电致发光器件的稳定性
图6 离电型摩擦纳米发电机(iTENG)触觉传感器

论文信息:

Dynamically Crosslinked Dry Ion-Conducting Elastomers for Soft Iontronics

Panpan Zhang, Wenbin Guo, Zi Hao Guo, Yuan Ma, Lei Gao, Zifeng Cong, Xue Jiao Zhao, Lijie Qiao, Xiong Pu*, Zhong Lin Wang*

Advanced Materials

DOI:10.1002/adma.202101396

原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202101396