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Decoupling the Trade-Off between Mechanical Properties and Ionic Conductivity in Hydrogel Polymer Electrolytes by Anomalous Water-Induced Microphase Separation

材料科学 离子电导率 电解质 电导率 水溶液 化学工程 离子键合 聚合物 模数 共聚物 自愈水凝胶 高分子化学 离子强度 相(物质) 微观结构 解耦(概率) 离子 弹性模量 复合数 杨氏模量 聚电解质 纳米技术 导电聚合物
作者
Xingxing Yan,Jianrui Zhang,Yifeng Sheng,Kun Chen,Hongyang Zhao,Qiang Zhang,Yilong Cheng,Zhishen Ge,Xiaoqing Ming,Yan-feng Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c16323
摘要

Achieving simultaneous high modulus and high ionic conductivity in hydrogel electrolytes remains a fundamental challenge for durable aqueous zinc-ion batteries. Herein, we overcome this trade-off by introducing an anomalous water-induced microphase separation in a water-stiffening polymer, which comprises poly(benzyl methacrylate) (PBzMA) backbone and poly(ethylene glycol) (PEG) side chains. Simply hydrating this polymer with aqueous zinc salts triggers spontaneous formation of bicontinuous phase structures, driven by the favored hydrophilic PEG-water interactions and unfavored hydrophobic PBzMA-water interactions. This self-organized phase-separated architecture establishes stress-bearing PBzMA domains and interconnected ion transport PEG/electrolyte channels. Crucially, the hydrogel electrolyte achieves significant water-induced stiffening (214-fold increase), yielding a Young's modulus of 134.6 MPa while maintaining an excellent ionic conductivity of 1.46 mS cm-1 at 25 °C, surpassing most reported counterparts. Furthermore, the evolution of bicontinuous microphase-separated structures is experimentally elucidated and theoretically validated. When employed in an aqueous Zn||V2O5 battery, the electrolyte enables a high capacity (278 mAh g-1 at 0.2 C) and exceptional cyclability (∼100% capacity retention after 1000 cycles at 5.0 C). The rigid yet conductive microstructure simultaneously suppresses Zn dendrites via mechanical constraint and rapid homogeneous ion flux. Our strategy of water-induced microphase separation offers a general principle to break the stiffness-conductivity trade-off in next-generation aqueous electrolytes.
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