隨著柔性電子設備的發展，已經有多種的柔性導電材料被研發并實現市場推廣。其中，導電水凝膠材料因為其在醫用設備和傳感器領域的廣泛引用，已經成為最為常用的柔性導電材料之一。但是為了保證導電水凝膠的導電率，凝膠聚合物網絡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、液體泄漏嚴重和材料的力學性能差等問題。

離子凝膠(ICEs)被認為是導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絡，因此這類聚合物具備離子液體的許多獨特特性，包括不揮發性、不可燃性、高熱穩定性和化學穩定性等，這使得在離子凝膠極端環境下的應用具有長期的可靠性。但是為了提高離子凝膠的導電率，增大離子凝膠的含量會導致力學性能不佳的問題。

近期，中科院化學所黃偉團隊聯合中科院納米能源所陳翔宇團隊利用交聯聚合物、離子液體和鋰鹽制備了具有較高機械強度和拉伸性能、優異的離子電導率、優異的透明性、優異的耐久性和穩定性的離子凝膠。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，因此可以顯著提高離子凝膠中機械強度和拉伸性的同時解決了離子凝膠中機械強度和離子電導率之間的矛盾。該材料可以用于應變和溫度傳感的電阻型電離學傳感器和輸出性能穩定的摩擦電納米發電機。此外，利用數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領域具有廣闊的應用前景。該工作以題為“Mechanically Robust and Highly Conductive Ionogels for Soft Ionotronics”的文章發表于Advanced Functional Materials上。

Li誘導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，再通過光引發劑(PI 819)在405 nm紫外光源下進行光引發聚合并且實現凝膠化。PUA是一種雙官能寡聚物，起化學交聯劑的作用。在該離子凝膠中，離子液體和LiTFSI的質量分數分別記為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，因此鋰離子優先富集在C=O基團密度高的區域(主要是PU的硬段和PACMO段)，在離子凝膠中形成物理交聯的微區（富Li+相）。而PU的軟的和離子液體負極區域則形成富液相。

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

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，導致富液相具有較高的導電性，連續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性能和離子電導率，解決了離子凝膠中機械強度和離子電導率之間的矛盾。通過優化比例，得到了一種具有高抗拉強度和離子電導率的離子凝膠，其中IG70%-10%的離子電導率為2.18 mS cm-1，抗拉強度為2.29 MPa。相比其他文獻報道類似的離子凝膠，其綜合性明顯更加優越。

Li誘導微相分離離子凝膠的應用研究

由于這類離子凝膠的優異性能，該材料可作為可拉伸摩擦納米發電機的關鍵材料。基于離子凝膠的摩擦納米發電機（I-TENG）具有較高的拉伸性能，隨著拉伸應變從0增加到200%，I-TENG的開路電壓(Voc)、短路電流(Isc)和轉移電荷(Qsc)先減小后增大。在大應變下輸出信號穩定，表明TENG可以在大應變下長時間使用。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次循環后，I-TENG也顯示出穩定的輸出電流信號，沒有明顯的轉換波形，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，可應用于DLP 3D打印技術。采用DLP 3D打印技術直接在柔性襯底(TPU或VHB)上打印具有復雜結構的微電路和用于自供電觸覺傳感的微陣列。柔性導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。每個傳感器通過導線連接到相應位置的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。，當手指分別敲擊編號為3、5、9的傳感器單元時，對應的LED會亮起，可見這一觸覺傳感微陣列的精度很高。

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