具有抗冻特性的水凝胶电解质的制备及其在固态超级电容器中的应用

张盖同， 宋晓丽， 杨福生， 南静娅,2， 储富祥,2， 王春鹏,2*

(1.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所；生物质化学利用国家工程实验室；国家林业和草原局林产化学工程重点实验室；江苏省生物质能源与材料重点实验室；江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，江苏 南京 210042； 2.中国林业科学研究院 林业新技术研究所，北京 100091；3.山东省临沂市生态环境局兰陵县分局，山东 临沂 276000)

随着便携式、可穿戴电子设备的快速发展，固态超级电容器受到越来越多的关注。然而，固态电容器的整体性能很容易受到运行时环境温度的影响，这主要是因为目前使用的固态电解质大部分为水凝胶电解质，其内部含有纯水，当温度低于水的凝固点(0 ℃)时，可逆法拉第反应动力学减慢[1]，甚至会使电解质冻结，导致水凝胶电解质的离子电导率大幅降低，并且变得易碎、失去回弹性[2-4]，这可能造成器件内部短路、电容衰减甚至失效等问题，极大地限制了固态超级电容器在低温条件下的应用[5]。因此，开发具有抗冻特性的新型水凝胶电解质是固态电解质的研究重点。当前，提高水凝胶电解质的抗冻特性主要通过添加有机溶剂或者盐来实现[6]。近年来，利用有机液体(丙烯、乙二醇等)合成具有较宽工作温度范围的水凝胶电解质已取得了很大进展[7]，但其具有毒性较大、危害环境等缺点[8-9]，不利于水凝胶电解质的实际应用。因此，利用离子化合物降低水相的冰点抑制水分子结晶具有更大的发展前景。本研究以大豆蛋白(SPI)为原料，通过引入高浓度氯化锂制备得到一种复合水凝胶电解质，在低温条件下，探究了其力学性能以及组装成超级电容器后的电化学性能，以期为应用于固态超级电容器的力学性能优良、具有抗冻特性的水凝胶电解质的制备提供新思路。

1 实 验

1.1 材料、试剂与仪器

大豆蛋白(SPI)，购自麦克林公司；过硫酸铵(APS)、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)、N,N,N’,N’-四甲基乙二胺(TEMED)，购自Sigma-Aldrich公司；丙烯酰胺(AAm)、氯化锂(LiCl)，购自阿拉丁公司；聚乙烯醇(PVA-1788)，聚合度1 700，醇解度88%，购自安徽皖维高新材料股份有限公司；碳纳米管(CNTs)纸，购自先丰纳米材料科技有限公司；其他试剂均为分析纯且使用前未经任何处理。

Malvern Zetasizer Nano ZS90纳米粒度电位仪，英国Malvern公司；Nicolet iS10傅里叶变换红外光谱(FT-IR)仪，美国Thermo Fisher Scientific公司；Regulus 8220扫描电子显微镜(SEM)，日本日立公司；UTM 4304电子万能试验机，深圳三思；CHI760E电化学工作站，上海辰华仪器有限公司；

1.2 复合水凝胶电解质的制备

将一定量的PVA与去离子水混合，90 ℃加热使PVA充分溶于15 mL去离子水中，得到质量分数10%的PVA水溶液；再将一定量的SPI与PVA水溶液混合，95 ℃加热处理使SPI均匀分散在PVA水溶液中，得到SPI在PVA水溶液中的分散液；待分散液冷却至室温，依次加入一定量LiCl、 3.15 g的AAm单体、37.8 mg引发剂APS、9.50 mg交联剂MBAA、7.88 mg促进剂TEMED，充分溶解于分散液中，得到预聚体溶液；去除气泡后将预聚体溶液倒入模具中，80 ℃热引发聚合24 h；最后脱模、去除表面水分后，得到大豆蛋白-聚乙烯醇-聚丙烯酰胺/氯化锂(SPI-PVA-PAAm/LiCl)水凝胶电解质。通过调节不同的SPI用量、PVA用量、含水率以及LiCl用量，制备了一系列不同反应物配比的SPI-PVA-PAAm/LiCl水凝胶电解质。

1.3 水凝胶电解质的测试与表征

1.3.1结构表征 SPI在PVA水溶液中的粒径通过纳米粒度电位仪进行测试，将分散液稀释10倍，使用动态光散射以90°散射角测量蛋白质颗粒的粒径大小。水凝胶的分子结构通过FT-IR仪进行测试，水凝胶经冷冻干燥后，采用溴化钾压片法制成测试样品，波数范围为400～4000 cm-1。水凝胶的形貌特征通过SEM进行观察，样品经冷冻干燥去除水分后，取水凝胶的横截面进行观察，加速电压为5 kV。

1.3.2力学性能测试 水凝胶电解质的压缩性能通过电子万能试验机进行测试。控制压缩应变为80%，速率为30 mm/min，对直径13 mm、高度15 mm的圆柱形样品进行压缩；接着以相同速率释放应变至0%使样品恢复至未压缩状态。压缩-释放循环10次，记录压缩与回复过程中的应力-应变的关系曲线，并由此计算水凝胶电解质在循环压缩过程中的应力保持率、塑性变形率及能量损耗系数。

水凝胶电解质在循环压缩过程中的塑性变形率(ηD)为单次压缩循环应力降为0时的应变值；应力保持率(ηR)和能量损耗系数(IE)根据单次加载-卸载循环周期产生的应力-应变曲线计算[10-11]，见式(1)和式(2)：

ηR=Pmax/P1st×100%

(1)

IE=ED/U

(2)

式中：P1st—第一次压缩循环时的最大压缩应力，kPa；Pmax—单次压缩循环时的最大压缩应力，kPa；U—单次压缩循环过程中加载曲线所包围的总面积；ED—单次压缩循环过程中滞后曲线(加载曲线和卸载曲线形成的闭合曲线)所包围的面积。

1.3.3离子电导率测试 采用不锈钢电极，在两电极体系下，通过电化学交流阻抗(EIS)法测定水凝胶电解质的离子电导率。EIS测试的交流电压振幅为5 mV，频率范围为0.01～1×105Hz。

水凝胶电解质的离子电导率(σH)根据式(3)计算[2]：

σH=L/RbA

(3)

式中：L—水凝胶高度，cm；Rb—水凝胶电解质的电阻，Ω；A—水凝胶与电极的接触面积，cm2。

1.4 超级电容器的性能测试

1.4.1固态超级电容器的组装 制备的SPI-PVA-PAAm/LiCl水凝胶作为电解质，以CNTs作为固态超级电容器的电极，将CNTs直接黏附在水凝胶电解质两侧，组装成三明治结构的对称型固态超级电容器，组装过程中未添加额外的黏结剂、导电剂、隔膜和集流体。

1.4.2电化学性能测试 超级电容器的电化学性能通过电化学工作站进行测试。在两电极体系下，超级电容器的电化学性能采用电化学交流阻抗(EIS)法、循环伏安(CV)法、恒定电流充/放电(GCD)法进行表征。EIS测试的交流电压振幅为5 mV，频率范围为0.01～1×105Hz；CV测试时电压窗口为0～0.8 V，扫描速率为5～100 mV/s；GCD测试时电压窗口为0～0.8 V，电流密度为0.81～16.2 A/g。

超级电容器的比电容(Cm，F/g)根据GCD曲线计算[12]，见式(4)；能量密度(E，W·h/kg)和功率密度(P，W/kg)计算公式[12]见式(5)和式(6)。

Cm=IΔt/mΔU

(4)

(5)

P=E/Δt

(6)

式中：I—放电电流，A； Δt—放电时间，s；m—两个电极中CNT的总质量，g； ΔU—去除电压降后的电压，V。

1.4.3可压缩性能测试 将组装好的固态超级电容器在25 ℃以及-20 ℃下，利用电化学工作站测试了其在不同压缩应变(0%～70%)下的电化学性能，CV测试扫描速率为50 mV/s，GCD测试电流密度为3.25 A/g，EIS测试频率范围为0.01～1×105Hz。

1.4.4循环稳定性测试 为了评估超级电容器的循环稳定性，以CNTs做电极，S-Li-15为电解质，在8.12 A/g的电流密度下，利用电化学工作站采用恒电流充/放电方法对器件进行1 000次循环测试，计算电容保持率。

2 结果与讨论

2.1 水凝胶的制备与性能分析

2.1.1制备过程分析 以SPI、PVA和AAm为原料，APS为引发剂，MBAA为交联剂、TEMED为促进剂，通过热引发聚合制备SPI-PVA-PAAm复合水凝胶。首先将SPI粉末充分分散在PVA水溶液中，再依次加入AAm单体、APS、MBAA以及TEMED，混合均匀后，倒入模具中，AAm单体经过热引发聚合成三维网络，形成水凝胶主体骨架结构[12]。为了弄清SPI在PVA水溶液中的状态，利用纳米粒度电位仪对分散液中SPI粒子的状态进行了观察，得到SPI分散液的粒径大小和粒径分布，结果见图1(a)。由图可知，SPI的平均粒径为273 nm，说明SPI粒子以纳米级分散在混合液中。为了进一步研究水凝胶中SPI纳米颗粒、PVA和PAAm之间的结合方式，将SPI分散液、PVA、PAAm水凝胶、PVA-PAAm水凝胶以及SPI-PVA-PAAm(mSPI∶mPVA为1 ∶0.5)水凝胶冷冻干燥去除水分后，检测5种样品的红外吸收光谱，结果见图1(b)。

a.SPI分散液粒径分布size distribution of SPI dispersion; b.红外光谱FT-IR spectra

2.1.2PVA用量的影响 为了探究PVA用量对水凝胶的影响，在SPI 0.45 g，其他同1.2节的条件下制备了一系列的SPI-PVA-PAAm水凝胶。对系列水凝胶样品进行冷冻干燥去除水分，取横截面，通过扫描电镜观察其形态结构，结果见图2。由SEM照片可知，当m(SPI) ∶m(PVA)=1 ∶0时，即未加入PVA时，制备得到的水凝胶呈一定壁厚的网状结构；当m(SPI) ∶m(PVA)=1 ∶0.1时，水凝胶网络壁厚增加，孔径尺寸减小；当m(SPI) ∶m(PVA)=1 ∶0.5时，水凝胶网络孔径数量明显减少，这是由于壁厚的持续增加阻碍了孔洞的形成；当PVA用量继续增加，水凝胶网络孔洞继续减少直至为零，在相同放大倍数下，m(SPI) ∶m(PVA)=1 ∶3的水凝胶样品已经不存在网络结构。由此表明，PVA用量对水凝胶的结构有显著影响，同时证明了PVA分子链与SPI纳米颗粒聚集到PAAm网络骨架结构周围。

m(SPI) ∶m(PVA)：a.1 ∶0; b.1 ∶0.1; c.1 ∶0.5; d.1 ∶1; e.1 ∶2; f.1 ∶3

对PVA质量分数不同的SPI-PVA-PAAm系列水凝胶进行10次80%压缩应变循环测试，并由其应力-应变曲线计算得出该系列水凝胶在循环过程中的应力保持率、塑性变形率以及能量损耗系数，结果见图3。

a.应力保持率stress remaining; b.塑性变形率plastic deformation; c.能量损耗系数energy loss coefficient

由图3可知，随着循环次数的增加，不同PVA用量的水凝胶样品应力保持率、塑性变形率以及能量损耗系数都趋于稳定，表明水凝胶具有较好的循环稳定性。由此说明，具有多孔结构的水凝胶，在形变过程中通过PVA长链与SPI纳米颗粒共同耗散了施加于水凝胶上的外力，PAAm三维网络结构维持水凝胶的结构完整和稳定变形。随着水凝胶中PVA用量的增加，塑性变形率以及能量损耗系数逐渐增加，表明水凝胶力学性能逐渐降低。这是由于PAAm交联网络周围存在PVA长链，可通过塑性变形耗散施加于水凝胶上的外力，并随着PVA用量的增加，塑性变形增大。

2.1.3SPI用量的影响 在PVA 0.225 g，其他同1.2节的条件下，通过调节SPI的质量分数制备了一系列SPI-PVA-PAAm水凝胶，对该系列水凝胶进行10次80%压缩应变循环测试，并由其应力-应变曲线计算得出该系列水凝胶在循环过程中的应力保持率、塑性变形率以及能量损耗系数，结果见图4。

由图4可知，随着循环次数的增加，不同SPI用量的水凝胶样品应力保持率、塑性变形率以及能量损耗系数都趋于稳定，表明水凝胶具有较好的循环稳定性。随着SPI用量的增加，当m(SPI) ∶m(PVA)5 ∶1时，水凝胶仍有较高的应力保持率(≥95%)。同时，SPI用量的增加使得水凝胶的塑性变形率逐渐增大，表明水凝胶的弹性恢复率逐渐降低，这是由于在受到外力时，SPI纳米颗粒发生塑性变形，不同SPI用量制得的水凝胶的能量损耗系数均≤0.25，表明水凝胶具有较好的压缩性能。SPI纳米颗粒和PVA长链的塑性形变共同分散外应力和能量，从而避免PAAm分子链的断裂，使其维持结构完整，三者的协同作用可以增强水凝胶的力学性能。

a.应力保持率stress remaining; b.塑性变形率plastic deformation; c.能量损耗系数energy loss coefficient

2.2 水凝胶电解质的抗冻性能

2.2.1机械性能分析 通过调节LiCl在去离子水中的浓度，制备出一系列不同LiCl用量的水凝胶电解质，并对其进行10次80%应变循环压缩测试，探究25 ℃和-20 ℃下LiCl用量对水凝胶电解质压缩性能的影响，计算循环压缩过程中的应力保持率、塑性变形率及能量损耗系数，结果见图5。

a.ηR,25 ℃; b.ηD,25 ℃; c.IE,25 ℃; d.ηR,-20 ℃; e.ηD,-20 ℃; f.IE,-20 ℃

由图5(a)～(c)可知，25 ℃下，随循环压缩次数的增加，不同LiCl用量的水凝胶电解质的应力保持率、塑性变形率以及能量损耗系数趋于稳定，表明水凝胶电解质具有较好的循环稳定性。经历10次80%应变循环压缩后，水凝胶电解质应力保持率均>92%；随着LiCl用量的增加，所得水凝胶电解质的塑性变形率、能量损耗系数呈现先减小后增大的趋势，表明随着LiCl用量的增加，水凝胶电解质的压缩性能呈现先增大后减小的趋势；当LiCl浓度为15 mol/L(S-Li-15)时，塑性变形率<16%，能量损耗系数<0.4，水凝胶电解质具有一定的压缩性能。-20 ℃下，未添加LiCl的水凝胶电解质进行80%应变循环压缩时，样品未出现弹性恢复现象，压缩性能较差。这是由于在-20 ℃下，未添加LiCl的水凝胶电解质内部自由水出现冷冻结冰现象，由液态转变为固态，导致水凝胶电解质易碎并失去压缩性能。加入LiCl后，水凝胶电解质在-20 ℃下可承受多次应力加载-释放过程，未出现结构破坏。另外，由图5(d)～(f)可知，加入LiCl的水凝胶电解质的应力保持率、塑性变形率以及能量损耗系数均随着循环次数的增加而逐渐稳定，表明水凝胶电解质在-20 ℃下仍能保持良好的稳定性。在10次80%应变循环压缩过程中，水凝胶电解质的应力保持率均>80%，塑性变形率<30%，能量损耗系数≤0.5，表明水凝胶电解质在-20 ℃下仍能保持良好的压缩性能。随着LiCl用量的增加，能量损耗系数呈现先减小后增大的趋势，表明水凝胶电解质的压缩性能先增大后减小；当LiCl浓度为5 mol/L时，应力保持率>100%，塑性变形率<25%，能量损耗系数<0.33，表明环境温度由25 ℃下降到-20 ℃的过程中，水凝胶电解质保持了较好的压缩性能。这是由于LiCl的加入，通过离子化合物的依数性，即一定浓度的离子化合物降低了水凝胶电解质内部自由水的凝固点，抑制了水分子的结晶过程。

2.2.2离子电导率分析 将不锈钢电极与不同LiCl用量的水凝胶电解质组装成三明治结构，在两电极体系下，通过EIS测试水凝胶电解质在25 ℃下与-20 ℃下的电导率，测试结果见图6(a)和图6(b)。

a.EIS,25 ℃; b.EIS,-20 ℃; c.离子电导率ionic conductivity

由图可知，未添加LiCl的水凝胶电解质与不锈钢电极组装成的器件具有较大的等效串联电阻。随着LiCl用量的增加，结构的等效串联电阻逐渐减小，这是由于LiCl作为电解质盐具有较低的离解能，离解后提供自由移动的离子[14]，并且随着LiCl用量的增加，提供的自由移动的离子含量增加，电阻减小。根据离子电导率的计算公式，计算得到不同LiCl用量水凝胶电解质在25 ℃下与-20 ℃下的离子电导率，如图6(c)所示。由图可知，离子电导率均随着LiCl浓度的增加而增加，当LiCl浓度达到15 mol/L时，水凝胶电解质的离子电导率均达到最大。在-20 ℃下，不同LiCl用量水凝胶电解质的离子电导率比25 ℃条件下均有所降低。其中，未添加LiCl的水凝胶电解质的离子电导率由25 ℃时的0.23 S/m减少到-20 ℃ 时的0.034 3 S/m，这是由于水凝胶内部缺少可自由移动的离子，温度降低时，水凝胶电解质内部的液态水变为固态，离子传导更为困难，电导率大幅降低。环境温度由25 ℃降低到-20 ℃时，S-Li-3的离子电导率由9.4 S/m减少到4.7 S/m，S-Li-5的离子电导率由13 S/m减少到6.2 S/m，S-Li-10的离子电导率由14 S/m减少到7.9 S/m。这是由于LiCl的加入，一定程度上抑制了水分子的结晶过程，但仍有部分水分子由液态变为固态，阻碍了离子的自由移动，降低了水凝胶电解质的离子电导率。当LiCl浓度达到15 mol/L时，水凝胶电解质在25 ℃和-20 ℃条件下的离子电导率均为14.5 S/m，说明-20 ℃未对S-Li-15水凝胶电解质的离子电导率产生影响。

2.3 水凝胶电解质在超级电容器中的应用

2.3.1电化学性能 在两电极体系下，利用电化学工作站对器件在25 ℃和-20 ℃条件下进行了电化学测试，结果见图7。

a.CV,25 ℃; b.GCD,25 ℃; c.CV,-20 ℃; d.GCD,-20 ℃; e.比电容specific capacitance; f.Ragone曲线Ragone plot

由图7(a)可知，25 ℃下，以S-Li-15为电解质组装成的器件的CV曲线呈现对称的准矩形形状，并随着扫描速率的增加，始终保持良好的对称性，表明以S-Li-15组装成的器件能够承受快速的电压/电流变化。由图7(b)可知，25 ℃下，GCD曲线呈对称的三角形形状，呈现典型的双电层电容器的特征。由图7(c)和7(d)可知，在-20 ℃下，CV和GCD曲线均呈现良好的对称性，且电压降不明显，表明以S-Li-15 组装成的器件在-20 ℃下仍具有良好的电化学性能。由图7(e)可知，温度为25 ℃时，电流密度为0.81 A/g对应的器件的比电容为137.3 F/g；电流密度增加到16.2 A/g时比电容为81 F/g，即电流密度增加20倍，器件的比电容维持在59%，说明组装成的器件在室温下具有良好的充/放电倍率性能。当温度降低到-20 ℃时，电流密度为0.81 A/g对应的器件的比电容为112.1 F/g；电流密度增加到16.2 A/g时比电容为72.55 F/g，即电流密度增加20倍，器件的比电容维持在65%，说明组装成的器件在-20 ℃下仍具有良好的充/放电倍率性能。此外，在相同的电流密度下，温度由25 ℃降低到-20 ℃时，器件的比电容均维持在80%以上，表明基于S-Li-15水凝胶电解质的超级电容器具有良好的抗冻性能，在-20 ℃下，水凝胶电解质内部基本未结晶。根据能量密度和功率密度的计算公式，计算得到器件在不同温度下的能量密度和功率密度，由此作出Ragone曲线，如图7(f)所示。由图可知，温度为25 ℃时，在0.81～16.2 A/g的电流密度下，器件的最大功率密度为4 872 W/kg，对应的能量密度为4.06 W·h/kg；最大能量密度为11.97 W·h/kg，对应的功率密度为321.56 W/kg。当温度降低到-20 ℃时，在0.81～16.2 A/g的电流密度下，器件的最大功率密度为5 091.43 W/kg，对应的能量密度为3.96 W·h/kg；最大能量密度为9.7 W·h/kg，对应的功率密度为320.37 W/kg，仍都满足超级电容器的使用范围[15]。

2.3.2可压缩性能 在25 ℃和-20 ℃下，探究了组装后的固态超级电容器在不同压缩应变(0%～70%)下的电化学性能，结果见图8。

图8(a)～(c)为器件在25 ℃下的CV、GCD以及EIS曲线，由图可知，随着压缩应变的增加，CV曲线所围成的面积逐渐增大，但仍保持对称的准矩形形状；器件的充放电时间延长，但仍保持三角形形状；EIS曲线与横坐标轴的交点值逐渐减小，表明随着压缩程度的增加，器件的等效串联电阻逐渐减小，比电容逐渐增加，这可能是由于随着外界压力的增加，水凝胶电解质与CNTs纸之间的接触更加紧密，减小了电路中的接触电阻[16]。图8(d)～(f)为器件在-20 ℃下的CV、GCD以及EIS曲线。

a.CV,25 ℃; b.GCD,25 ℃; c.EIS,5 ℃; d.CV,-20 ℃; e.GCD,-20 ℃; f.EIS,-20 ℃;

由图可知，在-20 ℃下，随着压缩应变的增加，CV、GCD和EIS曲线变化趋势与25 ℃时相同。图8(g)为根据不同温度下的GCD曲线计算得到的比电容。由图可知，温度降低后，器件在不同压缩应变下的比电容均有所降低。压缩应变为0时，25 ℃时器件的比电容为82.36 F/g，-20 ℃下的比电容为77.62 F/g，保持率为94%，表明制备的水凝胶电解质具有较好的抗冻性能，组装成的超级电容器在-20 ℃下仍能保持较高的比电容。图8(h)为根据GCD曲线计算得到的器件在不同压缩程度下的电容保持率，由图可知，在25 ℃下，器件在70%压缩应变下的电容是初始状态的3.9倍左右；在-20 ℃下，器件在70%压缩应变下的电容是初始状态的3.1倍左右，表明低温下，器件仍可承受一定的压缩并具有较高的比电容。

2.3.3循环稳定性 采用连续1 000次充放电循环探究组装后的固态超级电容器的循环稳定性，结果见图9。由图可知，25 ℃ 时，以CNTs作为电极，以S-Li-15样品作为电解质组装成的固态超级电容器经过1 000次充/放电循环后，器件的电容保持率为94.3%；温度为-20 ℃时，器件经过1 000次充放电循环后，电容保持率为91%。

图9 S-Li-15为电解质的超级电容器的循环稳定性Fig.9 Cycling stability of the assembled supercapacitor with S-Li-15 hydrogel electrolyte

将本研究制备的抗冻电解质与已报道的抗冻电解质的相关性能进行比较，结果发现：氯化钠-甘油/聚乙烯醇(NaCl-glycerol/PVA)有机凝胶电解质与活性炭电极组装的超级电容器可在-23 ℃经历2 500次循环后，电容保持率达到90%[17]；氯化锂-乙二醇-水/聚乙烯醇(LiCl-EG-H2O/PVA)有机凝胶电解质与碳纳米管纸电极组装的超级电容器在-40 ℃经历5 000次循环电容保持率为70%[18]；基于氯化钾/海藻酸钠接枝多巴胺(KCl/SA-g-DA)水凝胶电解质组装的超级电容器在-10 ℃经历1 400次循环，电容保持率为80%[19]，表明基于SPI-PVA-PAAm/LiCl水凝胶电解质的超级电容器在低温下具有良好的循环稳定性。

3 结 论

3.1以SPI、PVA和PAAm为原料，APS为引发剂、MBAA为交联剂、TEMED为促进剂，通过引入高浓度LiCl制备了一种SPI-PVA-PAAm/LiCl水凝胶电解质，利用离子化合物的依数性赋予了水凝胶电解质优异的抗冻性能。结构表征和测试结果表明：水凝胶电解质在环境温度由25 ℃降到-20 ℃的条件下，仍能保持较好的机械性能，并呈现随着氯化锂用量的增加机械性能先增大后减小的趋势。-20 ℃下，在经历80%压缩应变循环10次后，LiCl浓度为5 mol/L的水凝胶电解质，应力保持率>100%，塑性变形率<25%，能量损耗系数<0.33。

3.2水凝胶电解质在环境温度由25 ℃降到-20 ℃的条件下，仍能保持较高的离子电导率，呈现随着LiCl的增加离子电导率增大的趋势。水凝胶电解质与CNTs组装的固态超级电容器，具有优异的电化学性能：环境温度由25 ℃降低到-20 ℃时，根据GCD曲线计算得出，基于LiCl浓度为15 mol/L的器件(S-Li-15)比电容保持率在80%以上；组装成的器件还可在不同压缩应变下正常工作，并且随着压缩应变的增大，器件的比电容增加；器件具有优异的循环稳定性，-20 ℃下经历充/放电循环1 000次后电容保持率为91%。