《自然·通讯》西安交通大学丁书江教授开发出具有优良稳定性的透明离子导电弹性体

西交科研2019-02-12 21:30:23

弹性体,以天然或合成橡胶为典型代表,其研究与应用已有几个世纪。导电功能弹性体奠定了近来柔性电子器件以及软机器等热点领域的发展基础。传统的导电弹性体一般为弹性体复合材料,其通常是将金属、碳和导电聚合物等刚性导体填充于或涂覆于弹性体上,或者将液态金属和液态电解质等导电流体灌注于弹性体管道中,以获得导电性和弹性。

近日,西安交通大学丁书江教授课题组在国际期刊NatureCommunication上发表了题为“Highly stretchable and transparentionic conducting elastomers”的论文,第一作者为西安交通大学博士生石磊介绍了一类新型的导电弹性体——离子导电弹性体(ICE),且演示了它在透明、柔性触摸传感器上的应用。与电子导体不同,离子导体(或名电解质)采用离子作为载流子,可以实现电子导体极难甚至是不可能实现的功能,如同时具有导电性、极高的透明性以及可变形性。研究人员受锂电池聚合物固态电解质的启发,设计了一种透明的离子导电的弹性体。将电解质盐双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI) 溶解于聚丙烯酸丁酯(PBA)弹性聚合物基体中,通过离子在聚合物链段之间的传递实现离子电导。

由于该材料不含有溶剂,因此相当稳定,在空气中既不减重,也不表现出其弹性、透明度和导电性的衰减。此外,ICE拥有高温稳定性,分解温度高达300°C。ICE对普通金属电极不具有腐蚀性,由于它不含水,并且从空气中吸收水分(聚合物基体具有疏水性),从而实现了对金属接头的长期稳定性。拥有这些优点,ICE可能是工程离子器件的理想材料。该工作演示了它在柔性触摸传感器上的应用。此外,研究人员通过在BA单体中引入其他单体共聚可显著提升该透明导电弹性体的离子电导率。

图1  离子导电弹性体(ICE)的合成和性质:(a)ICE前驱体的分子结构;(b)制备好的ICE的光学照片,展示了ICE的良好的可拉伸性和高透明度(比例尺:2厘米);(c)ICE的应力应变曲线;(d)在可见范围内的ICE的透明性试验;(e)阻抗大小(|Z|,黑线)和负相角(-ϕ,蓝线)对测试频率的图;(f)导电率与测试温度的关系。

图2  ICE的特性: (a)ICE的热重曲线(蓝线, N2氛围下;黑线,空气氛围下);(b)在空气环境下ICE的环境稳定性测试:ICE在不同温度下与时间的重量维持图,黑色,蓝色和品红色线分别代表25°C,50°C和100°C的测试温度;(c)在室温空气环境下放置一周后,ICE-金属和水凝胶-金属结合点的光学照片,ICE相当稳定,对铝(Al),铜(Cu),锡(Sn)和钢(Fe)等金属无腐蚀性,而水凝胶电解质脱水、变形并对金属有腐蚀作用。用于对照实验的水凝胶是含有2M氯化锂(LiCl)盐的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶(比例尺:2cm);(d)ICE粘接性的图像展示。即使在拉伸状态下,结合点依然稳定(比例尺:2cm);(e)通过90°剥离试验测量各种基材ICE的剥离力,引入了坚硬的背衬以防止剥离时ICE伸长,黑色,橙色,蓝色和品红色线分别代表玻璃,铜,铝和ICE的测试基材;(f)通过线性扫描伏安法(LSV)对ICE(蓝线)和水凝胶电解质(黑线)进行分解电压测试,右上角的插图是测试单元的蓝图。

图3  共聚提高ICE的导电性:(a)用于提高电导率的共聚单体的分子结构;(b)不同共聚物ICE的阻抗谱的奈奎斯特图, 黑色,黄色,蓝色和品红色线分别代表VC,EOEOEA,MPEG350A和MPEG550A的共聚物单体, 曲线与实轴的交点对应于测试样品的电阻; (c)PBA(初始ICE,黑条)和不同共聚物ICE(VC,橙条; EOEOEA,黄条; MPEG350A,蓝条; MPEG550A,洋红条)的电导率的直方图,图中的误差条表示数据均值的标准误差(n = 3)。

图4  基于ICE的触摸传感器的特性: (a)不同状态下未覆盖的触摸传感器的示意图;未覆盖触摸传感器(b,c)在不同状态下的阻抗大小(| Z |)和负相角(-φ)与测试频率的关系图(原始,黑线;拉伸,黄线;触摸,蓝线;拉伸和感动,品红线);(d)不同状态下未覆盖的触摸传感器的阻抗谱的奈奎斯特图;(e)在阻抗复平面中未覆盖触摸传感器的单一频率(f = 20KHz)的重复检测数据(初始,黑点;拉伸,黄点;触摸,蓝点;拉伸和触摸,品红点);(f)绝缘膜覆盖触摸传感器的示意图;绝缘膜覆盖的触摸传感器(g,h)的阻抗大小(| Z |)和负相位角(-φ)与测试频率的关系曲线,使用了不同厚度的绝缘膜(100μm,黑线;200μm,黄线;500μm,蓝线;1000μm,品红色线;2000μm,绿线;未触摸,深蓝线);(i)绝缘膜覆盖的触摸传感器的阻抗谱的奈奎斯特图;(j)在阻抗复平面中绝缘膜覆盖的触摸传感器的单一频率(f = 10KHz)的重复检测数据。

总结与展望:

该工作通过salt in polymer策略成功合成出具有优良稳定性的透明离子导电弹性体。其具有高达1100%的断裂伸长率、92.4%的透光性、超过300℃的高温稳定性,优异的空气稳定性、无腐蚀性和高电压稳定性,以及优异的自粘性和金属粘接性。具有这些优势,离子导电弹性体可作为工程离子器件的理想材料,将为柔性电子器件以及软机器等领域提供新的机会。

研究工作得到了国家自然科学基金,西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”、中央高校基本科研业务费以及西安交通大学分析测试共享中心的支持。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-018-05165-w

【团队介绍】


丁书江,1978年生于黑龙江省哈尔滨市,理学院教授。教育部“新世纪优秀人才”,陕西省“青年科技新星”。研究工作涉及电化学储能材料与器件、电活性聚合物等,包括聚合物电解质、固态电池、水系电池、锂硫电池、锂/钠离子电池、超级电容器、电催化等。以第一作者或者通讯作者身份在J.Am. Chem. Soc., Angew. Chem. int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. EnergyMater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Energy Storage Mater., Chem. Mater.,Chem. Commun., J. Mater. Chem A, Nanoscale等期刊上发表论文百余篇,其中14篇论文入选“基本科学指标数据(ESI)”高被引论文,1篇论文入选ESI Hot Paper。并担任多个著名国际学术期刊的审稿人。在研项目包括国家自然科学基金面上和青年项目,博士点基金、陕西省基金等。

【团队在该领域的工作汇总】

近年来,丁书江教授课题组在电功能聚合物以及纳米能源材料的研究方向开展了比较系统的工作,并且取得了一系列具有影响力的进展。相关成果相继发表在:

1.  Nature Communications, doi:10.1038/s41467-018-05165-w

2.  Journal of Membrane Science, 2018, 563,277-283

3.  Energy Storage Materials, doi:10.1016/j.ensm.2018.05.019.

4.  Journal of Materials Chemistry A, 2018,DOI: 10.1039/C8TA03799J.

5.  Journal of Materials Chemistry A, 2017,5, 8062.

6.  Journal of Materials Chemistry A, 2017,5, 17963.

7.  ACS applied materials & interfaces, 2017,5, 4597.

8.  Electrochimica Acta, 2017, 230, 181.

9.  Nano Energy, 2016, 27, 457.

10.  ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 7 (43),23885.

11.  Journal of Power Sources, 2016,303, 22.

12.  Nano Energy, 2015, 16, 152.

13.  Nano Energy, 2015,12, 538.

14.  Energy & Environmental Science, 2015,8, 1707.

15.  Angewandte Chemie International Edition, 2014,53, 12803.

16.  Nanoscale, 2014,6, 5746.

17.  Advanced Energy Materials, 2014,4, 1400902

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