西安交通大學理學院丁書江教授與航天學院盧同慶教授合作團隊報道了一種疏水、耐溫性離子導體軟材料，該材料體系采用不溶于水的離子液體和疏水性的聚合物網絡制備，具有獨特的疏水性，對濕度不敏感，工作溫度范圍寬（超過100°C且覆蓋人們日常生活溫度的范圍），高的離子電導率（10-3~10-5 S / cm），出色的可拉伸性和高透明性，具有絕佳的綜合性能，可以作為離子器件的理想候選材料。該工作以題目為“Highly Stretchable and Transparent Ionic Conductor with Novel Hydrophobicity and Extreme Temperature Tolerance”發表在Research上(Research, 2020, 2505619, DOI: 10.34133/2020/2505619)。
近年來，高度可拉伸、透明的離子導體材料促成了新型離子器件的研究熱潮。人們利用離子導體材料已實現了新的柔性器件，包括透明的電活性致動器，可拉伸的觸摸面板，可拉伸的電致發光器件，離子傳感器，離子電纜等等。然而，現有的離子導電材料幾乎不能承受人們日常生活中的濕度和溫度變化，這極大地阻礙了離子電子學的發展和實際應用。
水凝膠離子導體暴露在環境中會導致水分蒸發，特別是在低濕度和高溫下，其蒸發更為明顯。伴隨水分的損失，水凝膠離子導體的透明性、拉伸性和導電性急劇下降。此外，水凝膠離子導體的工作溫度范圍受到水的冰點和沸點的限制。
離子凝膠可以克服水凝膠的這些不足，具有極低蒸氣壓，寬的工作溫度范圍和寬的電化學窗口等獨特優勢。但是，大多數現有的離子凝膠也對濕度敏感，因為離子液體容易吸收空氣中的水分，特別是在高濕度的環境中，這會導致離子凝膠的溶脹且性能下降。另一方面，現有的疏水或空氣穩定的離子凝膠幾乎不具有良好的機械性能或光學透明性或極高的溫度穩定性。
因此，設計一種具有對空氣濕度穩定、耐受高低溫環境且具有良好透明性的離子導體軟材料非常重要。
西安交通大學理學院丁書江教授與航天學院盧同慶教授合作團隊設計制備了一種疏水、耐溫性離子導體軟材料，該材料體系采用不溶于水的離子液體和疏水性的聚合物網絡制備。圖1展示了該材料的設計思路和材料的實物照片，顯示出材料具有優異的透明性和拉伸性。
圖1 疏水離子凝膠的設計
測試結果表明，該材料具有良好的力學拉伸行、透明性以及離子導電性（圖2）。其中，20％，40％，60％和80％代表樣品的聚合物含量。線性掃描伏安法（LSV）曲線表明疏水離子凝膠顯示出超過3.5 V的高分解電壓。疏水離子凝膠的差示掃描量熱法（DSC）曲線表明它們具有非常低的玻璃化轉變溫度（Tg），表明其低溫耐受性。而疏水離子凝膠的熱重曲線，顯示分解溫度超過300 ℃，表明具有極高的熱穩定性。
圖2 疏水離子凝膠的基礎性能
此外，在各種測試溫度下測量了疏水離子凝膠的電性能。圖3（a）顯示了在不同溫度下阻抗與頻率的關系曲線。隨著溫度升高，曲線顯示出離子導體的典型特征。電容與頻率的關系曲線顯示出相似的變化趨勢。如圖3（b）所示，當溫度從75°C降至-75°C時，電容在整個頻率范圍（0.1 Hz~10–MHz）中急劇下降。在-75°C下，疏水離子凝膠成為電介質材料。隨著溫度的升高，疏水離子凝膠的離子電導率增加了幾個數量級。在-50°C的低溫下，疏水離子凝膠的離子電導率保持為2.05*10-6S/cm，使其適用于非常冷和熱的環境。更重要的是，疏水離子凝膠具有獨特的疏水性和濕度不敏感性。將染色的疏水離子凝膠（聚合物含量為40％）在水中放置24小時，并觀察其質量變化。其質量維持率曲線如圖3（d）所示，表明疏水離子凝膠在水環境中具有很高的穩定性。目視觀察，染色的疏水離子凝膠在水中不會溶脹或收縮，并且在水中儲存24小時后仍保持其原始形狀。
圖3 疏水離子凝膠的溫度特性及耐水性
比較幾種離子導體的濕度敏感性，包括普通水凝膠（2 M NaCl水凝膠），保水水凝膠（8 M LiCl水凝膠），聚丙烯酸離子凝膠和本研究的疏水離子凝膠后發現，圖4（a）中除本研究的疏水離子凝膠外，隨著RH變化，其他離子導體質量發生了顯著變化。凝膠的質量變化也影響了它們的形態。圖4（b）和4（c）顯示了在不同RH下樣品的形態變化。顯然，除疏水離子凝膠的形態外，其他離子導體材料均受到濕度影響。
為研究材料的極端溫度耐受性，將它們分別存儲在烘箱和冰箱中分別進行高溫和低溫穩定性測量。本研究的疏水離子凝膠在高溫和低溫下均穩定，在苛刻的溫度下處理后仍保持不變的外觀（體積和透明性）。
圖4 離子凝膠空氣濕度穩定性及耐溫性
圖5是幾種離子導體的性能的相對圖。本研究設計的疏水離子凝膠覆蓋了最大的面積，表明該材料在現有離子導體中具有出色的綜合性能。
圖5 幾種離子導體的綜合性能比較
采用本研究制備的疏水離子凝膠開發的幾種離子設備顯示：電阻式、電容式力學傳感器均可發生極大的電參數的變化。基于疏水離子凝膠的電致發光器件在實驗室中露天放置1個月后，其形態或發光特性均未發現明顯變化。而基于水凝膠的電致發光器件在露天存放1天后失去了發光的均勻性和器件的柔韌性（圖6（f））。將疏水離子凝膠在惡劣條件下作為電纜應用時可以發現，將電纜浸入指定溫度的水中。即使在高于70°C或低于0°C的溫度下，離子電纜仍可以傳遞電能以使LED變亮（圖6（g））。
圖6 基于離子凝膠的離子器件展示
本研究設計出的疏水離子凝膠不僅具有疏水性，還具有對濕度不敏感，寬工作溫度范圍，高電導率，可伸縮性和高透明性的獨特特征，這是適應柔性離子器件開發的性能最佳的離子導體之一。
論文鏈接：https://spj.sciencemag.org/research/2020/2505619/
