香港理工大学黄海涛与南方科技大学周利民团队创新性地开发了一种基于非常规Hofmeister效应的抗冻刚韧电解质，成功解决了低温储能器件中机械性能与电化学性能难以兼顾的关键难题。该研究通过引入高氯酸根（ClO₄⁻）与乙二醇（EG）的协同作用，构建了具有"弹簧状氢键网络"的新型聚合物电解质体系，其独特之处在于：首次实现了ClO₄⁻在EG-聚合物体系中的非常规Hodmeister效应，突破性地同时提升材料刚度（弹性模量6.8 kPa）和韧性（断裂能270 kJ/m³）。所制备的复合结构超级电容器在-20℃极端条件下展现出卓越的综合性能：高能量密度（54.4 Wh/kg）优异机械强度（弯曲模量29.28 GPa）在循环机械载荷力下出色循环稳定性（5000次循环后容量保持率88.9%）。成功演示了器件在冰封状态和机械冲击下的稳定工作，为新能源汽车、极地装备等领域的低温储能提供了创新解决方案。

该研究不仅为理解离子-溶剂-聚合物相互作用提供了新视角，更为开发下一代结构-功能一体化储能器件奠定了重要基础，具有显著的学术价值和广阔的应用前景。

图 1. 电解质的结构特征。a) 阴离子（ClO₄⁻和SO₄²⁻）的静电势分布。b) 纯水、ZnSO₄和Zn(ClO₄)₂溶液中水分子的¹H NMR谱。c-d) 不同浓度下ZnSO₄ (c)和Zn(ClO₄)₂ (d)溶液中水分子的¹H NMR谱。e) ClO₄⁻-EG与EG-EG结合能的DFT计算结果。f) 含/不含ClO₄⁻添加剂时PAM与EG分子的结合能对比。g) SE-PAM中EG与PAM链的弱氢键（左）和CE-PAM中ClO₄⁻-EG-聚合物强氢键（右）示意图。

图 2.低温下电解质的机械性能。a) SE-PAM与CE-PAM电解质的FTIR光谱。b) -20°C下的拉伸应力-应变曲线。c) 弹性模量与断裂能对比。d) -20°C下的压缩应力-应变曲线。e-f) 压缩90%后SE-PAM (e)和CE-PAM (f)的表面形貌光学照片。g-h) SE-PAM (g)和CE-PAM (h)在拉伸/压缩过程中的结构演变示意图。i-j) SE-PAM (i)和CE-PAM (j)的分子动力学模拟快照。k) 氢键数量与键能变化对比。

图 3. CSHSs 的制备和电化学性能。a) CSHS制备流程示意图。b-d) CE-PAM-CSHS (b)、SE-PAM-CSHS (c)、SH-PAM-CSHS (d)在-20°C~20°C的EIS曲线。e) -20°C下的恒流充放电曲线。e) GCD curves at -20°C。f) 变温循环（20°C↔-20°C）的容量保持率。g) 变温过程中的GCD曲线演变。h) -20°C下不同电流密度的比容量与能量密度。i) 质量比功率/能量密度的Ragone图（含文献对比）

图4. CSHS的多功能性能评估。a)三点弯曲测试结果对比，b) 剪切应力曲线对比，c) 多功能效率（ηME）的Ragone图（含文献对比）。

图5. 低温下的原位机电测试。a-b) SE-PAM-CSHS (a)和CE-PAM-CSHS (b)在0.6%应变循环加载下的容量衰减对比c) CE-PAM-CSHS在不同循环次数下的GCD曲线。d) CE-PAM-CSHS的循环弯曲应力-应变曲线e) 冰封状态下经受锤击测试的容量保持率。f) -20°C悬吊状态驱动风扇的实际演示。

本研究通过创新性地利用高氯酸根（ClO₄⁻）与乙二醇（EG）的协同效应，成功开发出具有"弹簧状氢键网络"的新型抗冻刚韧电解质，为极端环境下的储能技术带来重大突破。该成果的创新价值主要体现在三个方面：

首先，在基础研究层面，首次揭示了ClO₄⁻在EG-聚合物体系中的非常规Hofmeister效应，为理解离子-溶剂-聚合物相互作用机制提供了新视角。

其次，在材料性能方面，创造性地解决了传统电解质在低温环境下刚度与韧性难以兼顾的困境，实现了弹性模量（6.8 kPa）和断裂能（270 kJ/m³）的同步提升。

最后，在工程应用领域，所开发的复合结构超级电容器在-20℃极端条件下展现出卓越的综合性能（能量密度54.4 Wh/kg，弯曲模量29.28 GPa，在循环载荷力下5000次循环保持率88.9%），并通过冰封和冲击测试验证了其实际应用可靠性。

这项研究不仅为结构-功能一体化储能器件的设计提供了新范式，更为新能源汽车、极地装备等领域的低温储能技术发展开辟了新途径，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。