专栏名称: 高分子科技

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巴黎高等物理化工学院Costantino Creton教授团队 Nat. Commun.：兼具弹性、强韧与导电性的离子导电弹性体

高分子科技 · 公众号 · · 2025-01-16 12:00

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近年来，兼具高弹性、高强度、高韧性与优异离子导电性的材料在可穿戴设备和拉伸电池领域备受期待。然而，要同时实现这些性能的材料设计仍面临巨大挑战。巴黎高等物理化工学院（ESPCI Paris） Costantino Creton教授团队在Nature Communications上发表了一项突破性研究，提出了一种基于多网络弹性体（MNE）架构的新型离子导电弹性体（ICEs）。这一设计实现了机械性能（高刚度、可逆弹性、断裂抗性）与离子导电性的完美结合，为柔性电子设备和储能材料开辟了新的可能性。

研究背景与方法

为解决传统离子导电弹性体（ICEs）在机械性能与离子导电性之间的权衡问题，作者提出了一种全新的多网络弹性体（MNE）设计策略。通过引入低玻璃化转变温度（T_g）的MEA单体、高T_g的IBA单体，以及锂盐LiTFSI，结合预拉伸网络和牺牲键的架构，成功实现了性能的多重提升。

合成过程如图1所示：

首先，通过紫外光聚合法合成了密集交联的填充网络（FNs），并引入锂盐提升导电性。
随后，填充网络被浸泡在包含MEA单体、锂盐和交联剂的前体溶液中，并在手套箱中平衡溶胀。
最终，通过紫外光聚合完成了预拉伸多网络ICEs的制备。

这种方法结合了牺牲键的强度提升机制与预拉伸网络的弹性增强特点，同时通过低T_g单体保证了高离子导电性。

图1：含不同预拉伸水平的ICEs的合成示意图

结果与讨论

图2，机械性能与导电性的突破。

性能分析：MNE架构下的ICEs不仅表现出显著更高的断裂能和刚度，还同时实现了更高的离子导电性。
对比分析：与现有文献中报道的材料相比，本文提出的ICEs成功打破了导电性与机械性能之间的传统权衡问题。

图2：基于简单网络和预拉伸网络的ICEs性能对比

图3展示了本研究中离子导电弹性体（ICEs）的离子电导率和力学性能的关系，重点分析了不同温度条件下的表现和趋势。

离子电导率与温度关系：材料遵循Vogel–Fulcher–Tammann (VFT)模型，离子电导率随着温度升高而显著增加。
强度与导电性协同优化：即使在高温条件下，ICEs仍保持了一定的机械性能，同时展现出优异的导电性。

图3：温度对离子电导率与力学性能的影响及协同优化

总结

该研究开发了一种基于多网络弹性体（MNE）架构的离子导电弹性体，通过低T_g单体MEA、高T_g单体IBA和锂盐LiTFSI的结合，验证了该方法在低T_g单体中的应用。材料在实现高杨氏模量、强度和韧性的同时，展现出良好的离子导电性（~10^-6 S/cm）和抗疲劳性能，适合应用于可穿戴设备和生物电子设备。

此外，这种材料在锂离子电池固态电解质领域也展现出重要前景，为未来高性能弹性体的设计提供了新的可能性。

本文由巴黎高等物理化工学院（ESPCI Paris）SIMM实验室的博士后布热比·依明担任第一作者，其导师Costantino Creton教授为通讯作者。布热比·依明博士多年以来专注于离子导电材料的研发，包括离子导电弹性体和离子液体凝胶，并在高分子材料领域积累了丰富的研究经验。

Costantino Creton教授是高分子力学领域的国际知名学者，现任ESPCI Paris的研究副校长，同时是SIMM实验室的核心成员。他的研究涵盖聚合物材料的粘附、断裂与变形机制，领导的团队多次发表高影响力学术成果，为该领域的基础与应用研究做出了卓越贡献。

此外，合作团队中的Armelle Ringuede教授是Chimie Paris Tech的一位资深科学家，专注于电化学基础研究，尤其是在功能性材料的电化学行为研究中拥有深厚的学术造诣。

论文合作团队还包括：

Chimie ParisTech的博士后、电化学方向博士Simon Hubert
SIMM实验室的博士后、有机化学博士Alex Cartier
SIMM实验室的工程师Bruno Bresson

这项研究汇聚了多位跨机构、多学科领域的科学家，充分展现了团队在高分子力学和离子导电材料领域的创新实力与合作深度。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-55472-8