1. 水凝胶概述

水凝胶（Hydrogel）是以水为分散介质是由化学交联或物理交联形成的具有三维网络结构的高分子功能材料。其高分子网络中含有大量的亲水基团，吸水后不溶解，能达到溶胀平衡，具有一定的几何外形、强度、韧性等。水凝胶的富含水的特性使它们广泛适用于许多领域，水凝胶用作组织工程的支架，用于药物递送的载体，用于光学和流体的致动器，以及用于生物学研究的模型细胞外基质。然而，水凝胶应用的范围往往受其机械性能的严重限制。

2. 凝胶电解质概述

凝胶电解质是由聚合物、电解质盐、低分子有机溶剂三组份复合而成的凝胶型体系^[15]。这种凝胶电解质具有较高的离子电导率并具有优良的机械加工性能和成膜性能，是制作微型锂离子二次电池和电双层电容器的理想电解质材料。凝胶电解质主要是由具有给电子基团的高分子聚合物与碱金属盐的金属阳离子形成的络合物。凝胶电解质的性能主要由聚合物与金属阳离子之间的络合程度及络合物分子的存在形式和状态影响，取决于高分子聚合物的结构特性，如配位基团分布的密度以及聚合物分子链的柔性和稳定性等。凝胶电解质的离子电导率的高低，是其能否作为超级电容器电解质材料的关键。凝胶电解质兼具液体电解质和固体电解质的特点用于超级电容器的聚合物电解质的基体材料主要有：聚氧化乙烯（PEO）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯晴（PAN）和聚吡咯（PPy）等^[3]。目前对于凝胶电解质的导电机理主要有螺旋隧道模型和非晶层导电模型来解释^[4]。高分子聚合物与金属离子形成的络合物，在较低的温度时大部分是以结晶形式存在的。由于离子在晶体中发生跃迁是很难的，其扩散迁移速度也很慢，所以聚合物和金属离子形成的络合物在低温时的电导率非常低。当温度身升高时，其电导率显著增加，这种现象与络合物在高温时洁净度下降，非晶部分大幅增多是相对应的^[4]。

在不削弱凝胶电解质机械加工性能下前提下，要提高电导率，一方面可以通过对聚合物进行改性如共聚、交联、共混等来降低结晶度，另一方面可以通过提高盐含量增加聚合物的络合程度防止聚合物自身结晶相的产生来实现。近年来，人们选择带给电子能力更强的基团、分子链柔性更好的非氧化型高分子聚合物来合成凝胶电解质，取得了较好的效果。此外，在聚合物与电解质盐形成的络合物中加入增塑剂来降低聚合物玻璃化转变温度和结晶度，可使凝胶电解质的电导率大幅增加。

凝胶电解质作为一种新型功能材料，主要应用于锂离子二次电池和电双层电容器作为电解质材料。自日本SONY能源公司首先研发成功锂电池并使其商品化以来，高能量、无泄漏、超薄型、长寿命的化学能源就一直成为人们追求的目标。而凝胶电解质在此方面的应用具有极大的优势。由于其良好的机械加工性能，可制成超薄，甚至可以卷曲的电池、电容器。在电致显色、光电化学、电子、医疗、空间技术等方面的应用具有广阔前景。

3. 超级电容器概述

超级电容器，又名化学电容器，是一种通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件。当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力及原子间力的作用，使固液界面出现稳定和符号相反的双层电荷，称其为界面双层。把双电层超级电容看成是悬在电解质中的2个非活性多孔板，电压加载到2个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。双电层电容器根据电极材料的不同，可以分为碳电极双层超级电容器、金属氧化物电极超级电容器和有机聚合物电极超级电容器。超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种电源，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。与蓄电池和传统物理电容器相比，超级电容器的特点主要体现在：

(1)功率密度高。可达102～104 W/kg，远高于蓄电池的功率密度水平。

(2)循环寿命长。在几秒钟的高速深度充放电循环50万次至100万次后，超级电容器的特性变化很小，容量和内阻仅降低10%～20%。