综合性能优异的有机-无机复合材料在许多领域中发挥着重要作用，包括生物制药，催化剂，汽车，电子器件和建筑行业。复合材料制备的主要桎梏是它们在有机和无机组分之间的界面相容性。无机组分的接枝聚合和共价改性可以增强它们在高分子基质中的表面溶解度，部分克服界面相容性问题。相对于人为的基于相似相容性原理的复杂设计，自然界中的采取的方式更为精妙。例如，骨骼和珍珠贝通过无机组分表面的矿化水层作为过渡相，以连接具有较大表面能差异的有机和无机成分。近日，同济大学王启刚教授课题组、上海电力大学王保峰教授课题组在仿骨骼结构高分子复合电解质设计方面取得重要进展，合作研究成果发表在《自然·通讯》2020年第11期，标题为“Water-Mediated Crystallohydrate-Polymer Composite as a Phase-Change Electrolyte”。

近年来，高发的储能器件安全事故以及蓬勃发展的柔性电子器件对全固态电池提出了越来越多的要求。固态电解质作为全固态储能器件的重要组成部分，需要具有高机械强度，高离子电导率，良好的界面接触以及热稳定性，目前的有机高分子电解质和无机陶瓷电解质通常无法同时满足所有的需求。受自然界中骨骼的优异有机-无机结合机制的启发，该工作设计了一类通过极为便捷的热共混的方式构筑的高性能相变型高分子复合电解质，并研究了其在超级电容器中的性能。

图1.相变型复合电解质的仿生设计

通过高分子在分子层面对自溶解状态下水合盐中结晶水的吸引与束缚，使得有机无机界面形成了一层与骨骼矿化水层相似的中间结合水层。水层中的三元氢键使得有机组分的韧性与无机组分的刚性得以协调，使得该类电解质具有刚柔并济的特性，机械性能大幅提高。此外，由于晶体表面的微沉淀溶解平衡的存在，结合水层为电解质中的离子传导提供了快速通道。基于氧化还原型水合盐的宽工作电压与法拉第电容都有助于提升超级电容器的能量密度。与此同时，该类电解质从刚性晶态到柔性粘流态的可逆相变导致其拥有出色的形状适应性和与电极表面的粘合性。高温下粘流态电解质逐渐渗入电极表面，当电解质恢复到室温后，其中的水合盐将再次结晶并与电极形成牢固的机械互锁，从而使电极与电解质之间产生强韧的相互作用，这极为有效的解决了当前全固态储能器件电极电解质界面电阻过大的问题。

图2.相变界面与柔性超级电容器

更重要的是，基于无机相变水合盐构建的复合电解质具有高相变潜热和热导率。相变电解质的吸热作用可以极大的提高全固态超级电容器在在内部产热（过充）或外部受热（火焰灼烧）条件下的安全性能。该体系为全固态储能器件电解质的设计提供了新的设计思路，具有广阔的实际应用前景。

图3.全固态超级电容器的耐热性