拉伸强度高达12.8 MPa，高性能离子凝胶，最新ACS Nano！

可拉伸离子凝胶已成为下一代软离子电子学（包括离子皮肤、储能器件和软体机器人）的关键材料。然而，传统离子凝胶在同时实现优异的力学性能和离子导电性方面存在根本性局限——增加离子组分含量虽能提升导电性，却会因增塑效应软化聚合物网络，损害力学完整性。尽管相分离策略为解决这一矛盾提供了思路，但现有方法多依赖复杂的分子设计或多步加工，面临可扩展性挑战。

极性选择性蒸发诱导相分离策略

捷克布尔诺理工大学Martin Pumera课题组报道了一种简便且普适的溶剂蒸发诱导相分离（EIPS）策略，通过合理配对亲离子型热塑性聚氨酯（TPU）和疏离子型聚（苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯）（SEBS），利用极性选择性自发形成双连续相分离结构（图1a）。在该结构中，离子物种优先分配至TPU富集相建立离子传输网络，而SEBS富集相则提供力学增强。最优配比TSEL-40E/10L（其中40E和10L分别代表EMIM TFSI和LiTFSI的质量百分数）展现出卓越的综合性能：拉伸率超过1500%、拉伸强度12.8 MPa、韧性86.1 MJ m⁻³、离子导电率1.97×10⁻² S m⁻¹，同时兼具优异的弹性和可回收性。基于此构建的多模态离子皮肤能够响应应变、压力和温度刺激，并可组装为可穿戴超级电容器驱动无线气体传感设备。相关论文以“Polarity-Selective Assembly Enables Tough and Stretchable Ionogels for Wearable Electronics”为题，发表在 ACS Nano上。

设计策略与双连续结构

研究团队采用THF和甲苯组成的二元溶剂体系分别选择性溶解TPU和SEBS。随着挥发性更高的THF优先蒸发，TPU与SEBS之间的热力学不相容性驱动相分离，TPU与离子组分之间的非共价作用（锂配位、离子-偶极、氢键）进一步稳定了连续TPU/IL网络；甲苯的缓慢蒸发则使SEBS链自组装为互补弹性网络（图1a）。TSEL-40E/10L样品能承载约1 kg载荷（约为自身重量的4000倍）而不断裂（图1b），厚度0.15 mm的薄膜在200%应变后10分钟内完全恢复（图1c），其综合性能优于多数已报道离子凝胶（图1d）。

图1. 相分离离子凝胶的设计策略与多尺度特征。（a）TSEL离子凝胶的制备过程与结构演化示意图。（I）溶剂蒸发诱导相分离策略示意图。（II）极性选择性相互作用驱动的组装及所得离子分布。（III）具有双连续结构的坚韧可拉伸TSEL离子凝胶。（b）光学图像显示TSEL-40E/10L离子凝胶（横截面积：3.2 mm²）承受1 kg载荷而无力学失效。（c）TSEL-40E/10L离子凝胶（厚度：0.15 mm）的可拉伸性及200%应变下10分钟恢复。（d）本工作与已报道的通过聚合、溶剂交换和溶剂蒸发制备的高性能离子凝胶在韧性和拉伸强度方面的性能比较。

聚合物基体优化

系统评估不同TPU/SEBS比例的共混物发现：红外光谱显示TPU与SEBS间无强特异性相互作用（图2a）；差示扫描量热法在约-58 °C和-43 °C处出现两个玻璃化转变温度，证实相分离形态（图2b）；原子力显微镜图像确认了TPU相（亮区）和SEBS相（暗区）的良好分布（图2c）。TPU/SEBS=7:3的基体具有最高韧性（75.6 MJ m⁻³）（图2d、2e），其储能模量在-74至100 °C范围内始终高于损耗模量（图2h），且300 °C以下热稳定性良好（图2i），因此被选为最优基体。

图2. 不同SEBS含量聚合物基体的形貌与力学性能。（a）聚合物基体的傅里叶变换红外光谱。（b）聚合物基体的差示扫描量热曲线。（c）聚合物基体的原子力显微镜相图。暗区代表SEBS富集相，亮区代表TPU富集相，显示聚合物基体中的相分离结构。比例尺：100 nm。（d）聚合物基体的应力-应变曲线。（e）聚合物基体的韧性。（f）TPU/SEBS=7:3基体在100%应变下的连续循环拉伸曲线。（g）TPU/SEBS=7:3基体在100%至500%应变范围内的连续循环拉伸曲线。（h）TPU/SEBS=7:3基体的动态力学分析温度扫描曲线。（i）TPU/SEBS=7:3基体的热重分析和导数热重曲线。

相分离结构与增韧机制

扫描电镜显示，随EMIM TFSI从20 wt%增至50 wt%，TSEL离子凝胶从均一相分离演变为清晰双连续结构，50 wt%时因增塑效应相畴边界模糊（图3a）。能量色散光谱确认了TSEL-40E/10L的双连续结构——硫和氧标记离子/TPU富集区，而富碳无氧区对应SEBS相（图3b）。原子力显微镜和开尔文探针力显微镜进一步显示，凹陷区为TPU/IL富集相（亮区），凸起区为SEBS富集相（暗区），表面电势差异源于移动离子（EMIM⁺/Li⁺和TFSI⁻）在TPU/IL相中的积累（图3c）。傅里叶变换红外光谱证实了Li⁺与TPU羰基的配位、TFSI与N-H的离子-偶极作用以及咪唑环与TPU的氢键作用（图3d）。

力学与电学性能

单轴拉伸测试表明，TSEL-20E/10L拉伸率1189%、强度22 MPa；TSEL-40E/10L拉伸率达1522%、强度12.8 MPa（图3e）。其韧性（86.1 MJ m⁻³）比无SEBS的TEL-40E/10L高出96.4%。离子导电率方面，TSEL-40E/10L达1.97×10⁻² S m⁻¹（图3g）。断裂能达65.9 kJ m⁻²（图3h）。循环拉伸显示，经30分钟松弛后加载-卸载曲线几乎与首次循环重叠，展现出优异弹性恢复能力（图3i、3j）。

图3. 不同离子凝胶的形貌与表征。（a）不同EMIM TFSI含量TSEL离子凝胶的截面扫描电子显微镜图像。比例尺：20 μm。（b）TSEL-40E/10L离子凝胶的扫描电镜图像及对应的碳、硫、氧元素能量色散X射线光谱面扫描图。比例尺：20 μm。（c）TSEL-40E/10L离子凝胶的原子力显微镜形貌图及沿虚线轨迹的代表性线轮廓（蓝色）、相图和开尔文探针力显微镜电势图，证实相分离的存在。比例尺：20 μm。（d）TSEL离子凝胶中双连续结构示意图。（e）不同EMIM TFSI含量TSEL离子凝胶的应力-应变曲线。（f）TSEL离子凝胶与已报道离子凝胶在韧性和拉伸率方面的力学性能比较。（g）TSEL离子凝胶与无SEBS的TEL离子凝胶离子导电率随EMIM TFSI含量的变化。（h）有缺口和无缺口TSEL-40E/10L离子凝胶的应力-应变曲线。（i）TSEL-40E/10L离子凝胶在100%至500%应变范围内的连续循环应力-应变曲线。（j）TSEL-40E/10L离子凝胶在500%应变下的连续循环拉伸曲线。

环境稳定性与可回收性

TGA显示所有TSEL离子凝胶分解温度（5%失重）均超252 °C（图4a）；动态力学分析表明-74至100 °C范围内未发生凝胶-溶胶转变（图4b）；在-20和60 °C储存12小时后仍保持可拉伸（图4c）；10天质量稳定性测试显示无离子液体泄漏（图4d）。XPS证实SEBS相有效抑制离子液体迁移（图4e）。空气暴露100小时后导电率稳定（图4f）；水中浸泡后导电率几乎不变（图4g）；可作水下传感器使用（图4h）。该离子凝胶可溶解于THF/甲苯溶剂中回收再加工（图4i）。

图4. 离子凝胶的环境稳定性与可回收性。（a）TSEL离子凝胶的热重分析曲线。（b）TSEL-40E/10L离子凝胶的动态力学分析温度扫描曲线。（c）TSEL-40E/10L离子凝胶在-20和60 °C储存12小时后的拉伸状态。比例尺：1 cm。（d）TSEL-40E/10L离子凝胶在25和100 °C储存10天的重量保持率。（e）离子凝胶的X射线光电子能谱全谱图，显示SEBS辅助抑制离子液体暴露。（f）TSEL-40E/10L离子凝胶离子导电率随空气暴露时间的变化。（g）TSEL-40E/10L离子凝胶离子导电率随水浸泡时间的变化。（h）离子皮肤的水下应变传感性能。插图：基于TSEL-40E/10L离子凝胶的离子皮肤在未拉伸和拉伸状态下的照片。比例尺：1 cm。（i）TSEL离子凝胶可回收性演示：切割、溶解于THF/甲苯溶液，以及通过溶剂蒸发再加工。比例尺：0.5 cm。

多模态离子皮肤

应变传感器在0-600%应变范围内呈现良好线性响应（图5a）；50%-300%循环加载测试证实响应可重复（图5b）；500次100%应变循环后仍稳定（图5c）。贴合于手指、手腕、肘部和膝盖的离子皮肤可有效监测人体关节运动（图5d-g）；对按压和温度变化也能稳定响应（图5h、5i）。

图5. 离子皮肤的多模态传感与机电性能。（a）基于TSEL离子凝胶的离子皮肤相对电阻变化随应变的变化。（b）特定应变（50%、100%、200%和300%）下的电阻变化。（c）在100%应变下500次连续加载-卸载循环的耐久性测试。（d-g）基于离子凝胶的离子皮肤对人体运动监测的应变传感响应：（d）手指，（e）肘部，（f）手腕，（g）膝盖。（h）基于离子凝胶的离子皮肤在循环压缩加载-卸载下的电阻响应。（i）基于离子凝胶的离子皮肤在阶跃温度变化下的温度依赖电流响应。

可穿戴超级电容器及应用

以TSEL-40E/10L为电解质的柔性超级电容器在0.5 A g⁻¹下实现154 F g⁻¹比电容，1500次循环后保持率96.8%（图6a-c）。不同弯曲角度（60°、90°、120°）下电容保持率分别为98%、94%、60%（图6d、6e）；45、55、65 °C下经1000次循环后保持率分别为92%、88%、80%（图6f）。该系统成功为无线氨气传感设备供电（图6g-i），电压降仅9.2%，展示其作为可穿戴电源的可靠性。

图6. 基于离子凝胶的可穿戴超级电容器的电化学性能、力学可靠性及实际应用。（a）柔性对称超级电容器在不同扫描速率下的循环伏安曲线。（b）不同电流密度下的恒流充放电曲线。（c）柔性对称超级电容器在0.5 A g⁻¹下1500次循环的循环稳定性。（d）柔性对称超级电容器在0.5 A g⁻¹电流密度下不同弯曲角度的恒流充放电曲线。（e）不同角度重复弯曲循环下的电容保持率。插图：柔性对称超级电容器在60°、90°和120°弯曲角度下的光学图像。（f）基于离子凝胶的柔性超级电容器在不同温度变化下的循环稳定性测试。（g）可穿戴超级电容器供电的NH₃气体传感系统示意图。（h）供电与数据传输集成无线系统框图。（i）NH₃气体传感器的电位响应/恢复瞬态曲线。

总结与展望

本研究报道的EIPS策略无需复杂合成即可实现离子凝胶中力学与导电性的解耦。TPU富集相提供离子传输通路和能量耗散，SEBS富集相提供力学骨架，两相协同赋予材料优异的电化学性能、环境稳定性和可回收性。该策略简便且普适（已被SIS和EMIM BF₄体系验证），为设计下一代高性能软离子电子器件提供了可行路径。