上海工程技術大學宋仕強AM：新型全固態離子彈性體！越拉伸、導電性能越好

近年來，可拉伸離子導體在電子皮膚、軟體機器人等領域展現出巨大潛力，然而傳統材料面臨嚴峻挑戰：在拉伸時電阻顯著上升，導致信號傳輸不穩定；同時，低溫下電導率急劇下降，限制了其實際應用范圍。更關鍵的是，高機械強度與高離子電導率之間往往難以兼得，成為制約全固態離子導體發展的瓶頸。

上海工程技術大學宋仕強副教授、江南大學馬丕明教授與南方醫科大學侯鴻浩教授合作成功研制出一種具有超高電導率增強能力的全固態離子彈性體。該材料通過將聚丙烯酰胺與鋰鹽原位集成至馬來酸酐接枝的SEBS基體中，構建出具有多重動態非共價相互作用的三相微相分離結構，實現了46.4 MPa的拉伸強度、1066%的斷裂伸長率與207.8 MJ/m3的韌性。更引人注目的是，該材料在1066%應變下電導率提升1300倍，在120°C高溫下電導率提升1600倍，并在-45°C至120°C的超寬溫區內保持高電導率，突破了現有離子導體的性能極限。相關論文以“Ultra-High Conductivity Enhancement of Robust All-Solid-State Ion Elastomers via Strain-Induced Ion Channel Alignment and Temperature-Activated Ion-Gated Release”為題，發表在

Advanced Materials

研究團隊通過精細的分子設計，構建了具有氫鍵、鋰鍵與陽離子-π相互作用的動態網絡結構。圖1展示了SEBS/PAM/Li彈性體的制備過程與工作機制：通過溶脹、溶劑置換與紫外光聚合，實現了PAM在SEBS基體中的原位聚合，形成了微觀相分離結構。該結構在拉伸時誘導離子通道排列，降低離子遷移曲折度；在升溫時觸發被局限離子的釋放，從而實現電導率的雙重增強。

圖1. SEBS/PAM/Li 的制備與設計原理 a) SEBS/PAM/Li 的相結構設計示意圖，展示了氫鍵、鋰鍵、陽離子-π 與 π-π 堆疊相互作用，賦予彈性體優異的力學、電導率與機電性能。 b) SEBS/PAM/Li 中應變誘導與溫度門控電導率增強的工作機制，由應變引起的離子傳輸路徑曲率變化與溫度誘導的局限離子釋放所引起。 c) SEBS/PAM/Li 離子導電彈性體的制備流程示意圖，包括溶脹、溶劑置換與原位光聚合步驟。

圖2通過FTIR、XPS、固態NMR與AFM等手段揭示了材料中豐富的分子間相互作用。隨著PAM含量增加，C=O參與氫鍵形成的比例上升；LiTFSI的引入則促進了鋰鍵與陽離子-π相互作用的形成。二維相關光譜進一步顯示，在升溫過程中，鋰鍵的斷裂先于氫鍵，說明鋰離子在溫度響應中扮演先導角色。

圖2. SEBS/PAM/Li 的相結構與分子內相互作用的表征 a) 不同PAM含量的SEBS/PAM樣品中ν(C=O) FTIR光譜的曲線擬合。 b) SEBS/PAM?.?/Li??.?在1725–1692 cm?1波長范圍內的變溫FTIR光譜。 c–d) 由圖2b生成的同步與異步二維相關光譜。 e) LiTFSI及其在SEBS/PAM?.?/Li??.?彈性體中的?Li NMR譜。 f) SEBS-MAH與SEBS/PAM?.?/Li??.?的O1s XPS譜。 g) SEBS-MAH冷凍切片的AFM相圖。 h) SEBS/PAM?.?的AFM PeakForce QNM模式圖像。 i) SEBS/PAM?.?/Li??.?的儲能模量G′與損耗模量G″的頻率依賴性。

圖3系統評估了材料的力學性能與離子電導率。隨著PAM含量提升，材料的強度、延展性與韌性顯著增強，最高可承載自重58000倍的重量。同時，LiTFSI的引入使室溫電導率提升至3.3×10?3 S/m，并通過循環拉伸與SAXS測試證實了其優異的回彈性與結構可恢復性。

圖3. SEBS/PAM/Li 的力學性能與離子電導率 a) SEBS/PAM彈性體中PAM含量與溶脹時間的關系。 b) 不同PAM含量SEBS/PAM的拉伸應力-應變曲線。 c) 離子電導率與LiTFSI含量隨乙酸乙酯/LiTFSI溶液中溶脹時間的變化。 d) SEBS/PAM?.?/Li??.?折疊與扭曲的數字照片，顯示其優異延展性。 e) SEBS/PAM?.?/Li??.?的承載能力測試，承載比達≈58000。 f) SEBS-MAH、SEBS/PAM?.?與SEBS/PAM?.?/Li??.?的拉伸應力、應變與韌性對比。 g) SEBS/PAM?.?/Li??.?在不同應變下無間隔連續加載-卸載拉伸曲線。 h) SEBS/PAM?.?/Li??.?在不同應變下的二維SAXS圖案。 i) SEBS/PAM?.?/Li??.?在不同應變下的一維SAXS曲線。 j) SEBS/PAM?.?與SEBS/PAM?.?/Li的回收過程示意圖。 k) SEBS/PAM?.?/Li??.?回收1次與5次后的應力-應變曲線。

圖4揭示了應變誘導電導率增強的獨特現象：與傳統導體不同，該材料在拉伸至290%應變后電阻不升反降，電導率在1066%應變下提升超1300倍。這種“拉伸越強、導電越好”的特性使其在柔性傳感器中表現出色，能夠區分彎曲、扭轉與拉伸等不同變形模式，并在20000次循環中保持穩定信號輸出。

圖4. 應變誘導的離子電導率增強 a) SEBS/PAM?.?/Li??.?在拉伸過程中的相對電阻變化。 b) SEBS/PAM?.?/Li??.?在拉伸過程中的電導率變化。 c) SEBS/PAM?.?/Li與已報道高電導率全固態離子彈性體的拉伸強度與離子電導率對比。 d) SEBS/PAM?.?/Li??.?與其它離子導體的最大應變、應力與電導率增強對比總結。 e) SEBS/PAM?.?/Li??.?在彎曲、扭轉與不同拉伸應變下的相對電阻變化。 f) SEBS/PAM?.?/Li??.?在大應變（400%）與小應變（50%）下循環20000次的輸出信號穩定性。

圖5通過分子動力學模擬與SEM/AFM觀察，進一步闡明了微觀結構與性能之間的關系。模擬顯示LiTFSI優先與SEBS中的軟段結合，而拉伸過程中Li–O配位環境變化促進了離子遷移。表面褶皺與相分離結構的形成，進一步優化了離子傳輸路徑。

圖5. 相互作用的分子機制與形貌演化 a) 分子動力學模擬得到的相互作用能。 b) SEBS/PAM?.?/Li??.?中Li–O的徑向分布函數。 c) SEBS/PAM?.?/Li??.?原位拉伸0%、100%與200%后的取向變化SEM與AFM圖像。 d) SEBS/PAM?.?/Li??.?的SEM-EDS及S元素面掃描圖像。 e) 拉伸條件下不同相所發揮作用示意圖。

圖6展示了溫度門控電導率增強效應：材料在53°C以上出現電導率躍升，在120°C時提升達1600倍。其寬溫區適應性（-45°C至120°C）與溫度-應變雙重響應能力，為極端環境下的傳感與執行器應用提供了可能。

圖6. 溫度門控離子電導率增強 a) SEBS/PAM?.?/Li??.?隨溫度升高離子遷移數量變化示意圖。 b) SEBS/PAM?.?/Li彈性體在不同溫度下機電響應測試示意圖。 c) SEBS/PAM?.?/Li??.?在不同溫度下的相對電阻與電導率變化。 d) SEBS/PAM?.?/Li??.?與已報道高電導率全固態離子彈性體在溫度范圍內的離子電導率對比。 e) SEBS/PAM?.?/Li??.?的儲能模量G′與損耗模量G″的溫度依賴性。 f) SEBS/PAM?.?/Li??.?在0–400%應變循環拉伸下在不同溫度時的相對電阻變化。 g) SEBS/PAM?.?/Li??.?在設定溫度80°C下不同應變時的相對電阻變化。

本研究通過分子設計與相結構調控，成功構建了一種兼具高強度、高韌性、超寬溫區適應性與雙重刺激響應能力的全固態離子彈性體。該材料不僅解決了傳統離子導體在機械性能與電導率之間的固有矛盾，還為實現下一代智能柔性電子設備——如極端環境傳感器、高效能執行器與多功能電子皮膚——提供了全新的材料平臺與設計思路。