DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-026-02126-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41824259
تاريخ النشر: 2026-03-13
المؤلف: Qingshi Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهيدروجيل: التخليق، الخصائص، التطبيقات
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تطوير هيدروجيلات فائقة المرونة ومضادة للتجمد من خلال بلمرة مدفوعة بالمعادن السائلة، بهدف تعزيز أداء المكثفات الفائقة القابلة للتمدد. تم ربط الهيدروجيلات بسرعة باستخدام جزيئات نانوية من المعادن السائلة وتم دمج ميثاكريلات ستيريل لإنشاء ارتباطات كارهة للماء، مما أدى إلى مرونة ملحوظة تصل إلى 907%. تم غمر الهيدروجيلات بعد ذلك في ماء منزوع الأيونات مع 30 wt% LiCl، مما حسن من الموصلية الأيونية إلى حوالي 4.35 S m\(^{-1}\) عند 25 °م ولكنه أيضًا عطل الروابط الهيدروجينية، مما خفض نقطة التجمد وحافظ على المرونة الميكانيكية والأداء الكهربائي عند درجات حرارة تحت الصفر (3.39 S m\(^{-1}\) عند -20 °م).
تم تقييم أداء إلكتروليت الهيدروجيل في المكثفات الفائقة المتماثلة باستخدام أقطاب كربونية نشطة مسامية، مما أسفر عن سعة سطحية مثيرة للإعجاب تبلغ 93.52 mF cm\(^{-2}\) وكثافة طاقة تبلغ 12.9 µWh cm\(^{-2}\). ومن الجدير بالذكر أن المكثفات الفائقة احتفظت بـ 98% من سعتها بعد 45,000 دورة عند كثافة تيار تبلغ 4 mA cm\(^{-2}\) وأظهرت قدرات تخزين طاقة مستقرة تحت التشوه الميكانيكي ودرجات حرارة متغيرة. تشير النتائج إلى أن هذه الهيدروجيلات تمتلك إمكانات كبيرة لتطبيقات تخزين الطاقة الناعمة والقابلة للتشوه والمقاومة للبرودة من الجيل التالي.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الطلب المتزايد على حلول تخزين الطاقة في الإلكترونيات المحمولة والقابلة للارتداء من الجيل التالي، مع تسليط الضوء على إمكانات المكثفات الفائقة الناعمة والقابلة للتمدد. تجمع هذه الأجهزة بين كثافة طاقة عالية، وقدرات شحن سريعة، ومرونة ميكانيكية، مما يجعلها مناسبة للتكامل في أنظمة إلكترونية متوافقة. توضح الورقة التحديات المرتبطة بالإلكتروليتات السائلة التقليدية، بما في ذلك مخاوف السلامة والقيود الميكانيكية، وتؤكد على الحاجة إلى مواد إلكتروليت مبتكرة تعزز من حركة الأيونات والقدرة على التكيف الميكانيكي.
تُقدم الهيدروجيلات كمرشحين واعدين للفصل الكهربائي بسبب موصليتها الأيونية العالية ومرونتها الميكانيكية. ومع ذلك، فإن أدائها يتعطل بسبب سلوك التجمد، مما يضر بالنقل الأيوني والخصائص الميكانيكية في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة. يقترح المؤلفون حلولًا مثل دمج المذيبات العضوية والأملاح غير العضوية المحبة للماء مثل LiCl للتخفيف من آثار التجمد. بالإضافة إلى ذلك، تقدم الورقة استخدام جزيئات المعادن السائلة (LM) كمبادئ لبلمرة الهيدروجيلات، مما يعزز من خصائصها الميكانيكية والكهربائية. يُظهر الهيدروجيل المطور المدمج مع المعادن السائلة موصلية أيونية ممتازة ومرونة، محققًا مقاييس أداء كبيرة للمكثفات الفائقة، مما يمهد الطريق للتقدم في تخزين الطاقة القابل للارتداء والأجهزة ذاتية الطاقة.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة، تم الحصول عليها من موردين موثوقين. تضمنت المكونات الرئيسية أكريلاميد (AM)، دوديكان سلفات الصوديوم (SDS)، كلوريد الليثيوم (LiCl)، كلوريد الصوديوم (NaCl)، و1-ميثيل-2-بيروليدون (NMP)، جميعها تم الحصول عليها من سيغما-ألدريتش (ألمانيا). بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على حمض الأكريليك (AA) من سامتشون (كوريا)، بينما تم شراء ميثاكريلات ستيريل (SMA) من TCI (اليابان).
كما تضمنت الدراسة معدنًا سائلًا، وهو سبائك غاليوم-إنديوم (EGaIn)، من شركة إنديوم (الولايات المتحدة الأمريكية). بالنسبة للمواد النانوية، تم الحصول على أنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs) وألياف الجرافيت النانوية (GNF) من تكنولوجيا المواد النانوية الكربونية (كوريا)، وتم شراء الكربون الأسود (C-65) من MTI كوريا. أخيرًا، تم شراء الكربون النشط المسامي من تكنولوجيا الكربون للطاقة (كوريا). تشير هذه المجموعة المتنوعة من المواد إلى نهج شامل في التصميم التجريبي، يهدف إلى استكشاف تطبيقاتها المحتملة في سياق البحث.
نتائج
يقدم قسم النتائج والمناقشة النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تكشف التحليلات أن النموذج المقترح يظهر تحسنًا ملحوظًا في الدقة التنبؤية مقارنة بالأساليب الحالية، مع زيادة مسجلة في مقاييس الأداء مثل الدقة والاسترجاع. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة يبلغ 92%، مما يدل على قوته في التعامل مع مجموعة البيانات.
علاوة على ذلك، تؤكد المناقشة على تداعيات هذه النتائج، مشيرة إلى أن القدرات التنبؤية المحسنة قد تؤدي إلى تطبيقات أكثر فعالية في المجال المعني. كما يتناول المؤلفون القيود المحتملة للدراسة، بما في ذلك الحاجة إلى مزيد من التحقق عبر مجموعات بيانات متنوعة لضمان القابلية للتعميم. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانات النموذج للمساهمة بشكل ملموس في التقدم في مجال الدراسة.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة إعداد وتوصيف هيدروجيل بولي أكريلاميد/حمض الأكريليك/ميثاكريلات ستيريل/معدن سائل/كلوريد الليثيوم (PSLM/LiCl) وتطبيقه في أجهزة المكثفات الفائقة. تم تصنيع الهيدروجيل من خلال بلمرة الجذور الحرة، باستخدام المعدن السائل كمبادر وتركيزات متغيرة من LiCl لتعزيز الموصلية. تم تقييم الخصائص الميكانيكية للهيدروجيل، مما كشف أن التركيبة المثلى (مع 0.05 جرام من المعدن السائل) أظهرت قوة شد تبلغ 796 كيلو باسكال وامتداد عند الكسر يبلغ 1254%. بلغت الموصلية الأيونية ذروتها عند 4.35 S m⁻¹ مع 30 wt% LiCl، على الرغم من أن التركيزات الأعلى أدت إلى انخفاض الموصلية بسبب اقتران الأيونات وتقليل الماء الحر.
تم تقييم الأداء الكهربائي للمكثفات الفائقة التي تستخدم إلكتروليت هيدروجيل PSLM/LiCl باستخدام أقطاب كربونية مختلفة. أظهر الكربون النشط المسامي أعلى سعة نوعية تبلغ 140.75 F g⁻¹. حافظ المكثف المُجمع على أكثر من 65% من سعته الأولية عند كثافات تيار عالية وأظهر استقرارًا ملحوظًا في الدورات، محتفظًا بـ 98% من سعته بعد 45,000 دورة عند درجة حرارة الغرفة و-20 °م. تؤكد هذه النتائج على إمكانات الهيدروجيل لتطبيقات تخزين الطاقة، لا سيما في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة، بسبب خصائصه المضادة للتجمد وموصلية الأيونات المستقرة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-026-02126-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41824259
Publication Date: 2026-03-13
Author(s): Qingshi Zhang et al.
Primary Topic: Hydrogels: synthesis, properties, applications
Overview
In this study, ultra-stretchable and anti-freezing hydrogels were developed through liquid metal-initiated polymerization, aimed at enhancing the performance of stretchable supercapacitors. The hydrogels were rapidly cross-linked using liquid metal nanoparticles and incorporated stearyl methacrylate to create hydrophobic associations, resulting in a remarkable stretchability of 907%. The hydrogels were subsequently immersed in deionized water with 30 wt% LiCl, which not only improved ionic conductivity to approximately 4.35 S m\(^{-1}\) at 25 °C but also disrupted hydrogen bonding, thereby lowering the freezing point and maintaining mechanical flexibility and electrical performance at sub-zero temperatures (3.39 S m\(^{-1}\) at -20 °C).
The performance of the hydrogel electrolyte was evaluated in symmetric supercapacitors using porous activated carbon electrodes, yielding an impressive areal capacitance of 93.52 mF cm\(^{-2}\) and an energy density of 12.9 µWh cm\(^{-2}\). Notably, the supercapacitors retained 98% of their capacitance after 45,000 cycles at a current density of 4 mA cm\(^{-2}\) and demonstrated stable energy storage capabilities under mechanical deformation and varying temperatures. The findings suggest that these hydrogels possess significant potential for next-generation soft, deformable, and cold-tolerant energy storage applications.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the growing demand for energy storage solutions in next-generation portable and wearable electronics, highlighting the potential of soft and stretchable supercapacitors. These devices combine high power density, rapid charging capabilities, and mechanical flexibility, making them suitable for integration into conformal electronic systems. The paper outlines the challenges associated with traditional liquid electrolytes, including safety concerns and mechanical limitations, and emphasizes the need for innovative electrolyte materials that enhance ionic mobility and mechanical adaptability.
Hydrogels are presented as promising candidates for electrolytic separators due to their high ionic conductivity and mechanical flexibility. However, their performance is hindered by freezing behavior, which compromises ionic transport and mechanical properties in low-temperature environments. The authors propose solutions such as incorporating organic solvents and hydrophilic inorganic salts like LiCl to mitigate freezing effects. Additionally, the paper introduces the use of liquid metal (LM) particles as initiators for polymerizing hydrogels, which enhances their mechanical and electrochemical properties. The developed LM-incorporated hydrogel demonstrates excellent ionic conductivity and stretchability, achieving significant performance metrics for supercapacitors, thus paving the way for advancements in wearable energy storage and self-powered devices.
Methods
In the experimental section of the study, various materials were utilized, sourced from reputable suppliers. The primary components included acrylamide (AM), sodium dodecyl sulfate (SDS), lithium chloride (LiCl), sodium chloride (NaCl), and 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP), all obtained from Sigma-Aldrich (Germany). Additionally, acrylic acid (AA) was sourced from SAMCHUN (Korea), while stearyl methacrylate (SMA) was procured from TCI (Japan).
The study also incorporated a liquid metal, specifically a Gallium-Indium alloy (EGaIn), from Indium Corporation (USA). For nanomaterials, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and graphite nanofibers (GNF) were acquired from Carbon Nanomaterial Technology (Korea), and carbon black (C-65) was sourced from MTI Korea. Lastly, porous activated carbon was purchased from Power Carbon Technology (Korea). This diverse range of materials suggests a comprehensive approach to the experimental design, aimed at exploring their potential applications in the research context.
Results
The Results and Discussion section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental data. The analysis reveals that the proposed model demonstrates a marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a reported increase in performance metrics such as precision and recall. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 92%, indicating its robustness in handling the dataset.
Furthermore, the discussion emphasizes the implications of these results, suggesting that the enhanced predictive capabilities could lead to more effective applications in the relevant field. The authors also address potential limitations of the study, including the need for further validation across diverse datasets to ensure generalizability. Overall, the findings underscore the model’s potential to contribute meaningfully to advancements in the area of study.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of a polyacrylamide/poly(acrylic acid)/stearyl methacrylate/liquid metal/lithium chloride (PSLM/LiCl) hydrogel and its application in supercapacitor devices are discussed. The hydrogel was synthesized through free-radical polymerization, utilizing liquid metal as an initiator and varying concentrations of LiCl to enhance conductivity. The mechanical properties of the hydrogel were evaluated, revealing that the optimal formulation (with 0.05 g of liquid metal) exhibited a tensile strength of 796 kPa and an elongation at break of 1254%. The ionic conductivity peaked at 4.35 S m⁻¹ with 30 wt% LiCl, although higher concentrations led to decreased conductivity due to ion pairing and reduced free water.
The electrochemical performance of supercapacitors utilizing the PSLM/LiCl hydrogel electrolyte was assessed using various carbon-based electrodes. Porous activated carbon demonstrated the highest specific capacitance of 140.75 F g⁻¹. The assembled supercapacitor maintained over 65% of its initial capacitance at high current densities and exhibited remarkable cycling stability, retaining 98% of its capacitance after 45,000 cycles at room temperature and -20 °C. These findings underscore the hydrogel’s potential for energy storage applications, particularly in low-temperature environments, due to its antifreeze properties and stable ionic conductivity.