作为穿戴式设备的重要组成部分，柔性储能器件在低温下的固化及性能下降问题会导致穿戴式电子设备的实际使用场景受限。因此，目前研究者们在为低温穿戴式设备设计储能器件时，需要考虑三个因素：在低温下需要有1）稳定的电化学性能；2）可靠的机械柔性；3）电极材料与抗冻电解液间的强吸附力，防止器件组分间的直接物理分离。基于此，近年来柔性水凝胶器件的设计已成为储能领域的研究热点。然而在极低温范围下，水凝胶的固化现象依旧会导致微纳储能器件的内阻指数式地增加，使储能性能急剧下降。

基于此，研究者们使用一体化电极/电解液器件设计法，在聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶内原位聚合了导电的聚3,4-乙撑二氧噻吩（PEDOT），并在PEDOT/PAM凝胶电解液的基础上直接修饰具有光热转换效应的普鲁士蓝（PB）赝电容活性材料，成功构建了一种在零下20℃下具有光热增强储能性能的低温柔性一体化储能器件制备方法，创新性地将光热赝电容材料与抗冻水凝胶器件结合起来，促进了低温穿戴电子设备的实际应用。

在此，本研究制备了一种光热增强储能性能的柔性抗冻一体化凝胶器件，解决了赝电容在低温下的机械柔性及电化学性能衰减问题。

研究首先利用共溶剂法解决了水凝胶的低温固化问题，降低水分子在低温下的强氢键相互作用，阻碍水分子形成有序的氢键网络结构，使器件的冰点达30 °C（图1）。在导电PEDOT及赝电容活性组分PB的作用下，PB/PEDOT/PAM单器件的输出电压达1.5 V，在64.89和487.30 mW·cm^-2的功率密度下，器件的能量密度为2.84 and 0.25 mWh·cm^-2（图2）。同时，PB/PEDOT/PAM在不同温度下都表现出了优异的机械柔韧性，在室温下伸长率达1652%（图3），并在不同的形变状态下（拉伸，扭曲，压缩）保持着稳定的电化学性能（图4）。更重要的是，在太阳光光照下，通过PB电极材料的光热转换性能，PB/PEDOT/PAM一体化器件的温度可以在5分钟内从20 °C升高至17.7 °C,储能性能升高至黑暗条件下的287.1%（图5）。

图1 PB/PEDOT/PAM一体化器件的制备示意图。

在使用共溶剂法对凝胶进行抗冻处理后，PAM凝胶基底的冰点达30 °C。导电PEDOT的原位聚合可以有效地提高PAM凝胶基底的导电性，与此同时，PB赝电容活性物质的修饰拓宽器件的工作电位区间，有利于提高柔性一体化器件的储能性能。

PB/PEDOT/PAM的CV曲线及GCD曲线均呈现明显的赝电容型行为,表明PB为器件储能的主要活性物质。与近期报道的柔性器件/凝胶器件相比，PB/PEDOT/PAM一体化凝胶器件有着更高的功率密度及能量密度。

作为柔性凝胶器件，PB/PEDOT/PAM除了可以被制备成不同的形状及图案外，还拥有超高的拉伸率：在室温下，PB/PEDOT/PAM的伸长率达1652%。并且通过凝胶的内在粘性，器件可以轻松地黏附在不同的基底材料中，还可以以不同的方式形变，极大地拓宽了凝胶器件的使用便携性及使用场景。

在PB/PEDOT/PAM一体化器件以不同的方式形变时，由于PB内嵌于PEDOT/PAM凝胶电解液中，避免了电化学活性物质与电解液间在形变时物理分离导致的内阻增大，因此，PB/PEDOT/PAM在发生不同形变时电化学性能依旧稳定。

得益于PB的光热转换效应，在太阳光光照5分钟后，一体化柔性器件的温度从20 °C升高至17.7 °C，储能性能升高至黑暗条件下的287.1%。进一步地解决了一体化器件在低温下的性能衰减问题，提高了器件的应用前景。

高志达，东北大学理学院教授、博士生导师。主要从事气体传感及能源转化领域的器件制备及应用，以第一或通讯作者身份在Energy Stor. Mater., Small, ACS Sensors, J. Mater. Chem. A等学术期刊发表多篇学术论文。

Lu Y, Li K, Song Y-Y, et al. Ultra-flexible all-in-one anti-freeze photothermally enhanced supercapacitors. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6743-x.