伴隨著各種新型便攜式、可穿戴智能電子產(chǎn)品的興起,柔性電池的市場(chǎng)需求巨大。目前,市場(chǎng)主流的鋰離子電池因其鋰資源儲(chǔ)量有限、嚴(yán)重的安全隱患和高成本等問(wèn)題,促使人們探索下一代具有產(chǎn)業(yè)化前景的高安全性、清潔可再生的儲(chǔ)能技術(shù)。因此,具有低成本、高安全性、高容量、易組裝等優(yōu)勢(shì)的柔性水系鋅離子電池(ZIBs)已成為當(dāng)前柔性電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。柔性ZIBs通常采用半固態(tài)聚合物作為電解質(zhì),其克服了液態(tài)電解液漏液的缺點(diǎn)并可同時(shí)起到隔膜和電解液的作用,然而聚合物電解質(zhì)仍存在機(jī)械強(qiáng)度差、離子電導(dǎo)率低等問(wèn)題,這極大限制了柔性ZIBs的進(jìn)一步發(fā)展。因此,為柔性ZIBs開(kāi)發(fā)高機(jī)械強(qiáng)度、高離子電導(dǎo)率、熱化學(xué)穩(wěn)定性好、界面阻抗低的聚合物電解質(zhì)具有重要意義。
鑒于此,東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王宏志教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種具有高機(jī)械強(qiáng)度、高離子電導(dǎo)率(28.8 mS cm-1)、強(qiáng)離子吸附能力、界面阻抗低以及熱穩(wěn)定性良好的新型水凝膠電解質(zhì),并將其應(yīng)用于柔性ZIBs,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)性能和環(huán)境適應(yīng)性。相關(guān)研究以“Stable Hydrogel Electrolytes for Flexible and Submarine-Use Zn-Ion Batteries”為題,在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上發(fā)表。
近來(lái),聚丙烯酰胺(PAM)水凝膠電解質(zhì)得益于其含水量高、界面兼容性好的優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于柔性ZIBs,然而仍存在機(jī)械強(qiáng)度低、離子電導(dǎo)率低的缺點(diǎn)。因此,研究團(tuán)隊(duì)采用PAM作為聚合物基體,引入綠色環(huán)保天然的聚合物黃原膠(XG)和棉花納米纖維素(CNF),加入無(wú)機(jī)鋅鹽,設(shè)計(jì)了一種PAM-XG接枝聚合物復(fù)合CNF雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠電解質(zhì)(圖1)。其中,CNF具有親水性骨架和微孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),能夠作為增強(qiáng)體來(lái)提高PAM水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和離子電導(dǎo)率;XG是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的胞外多糖,側(cè)鏈上富含的羥基、羧基能吸引相當(dāng)數(shù)量的水分子,長(zhǎng)碳鏈可以加強(qiáng)XG與水分子之間的相互作用,因此其可以提高PAM水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和離子電導(dǎo)率(圖2)。
圖1. (a)聚丙烯酰胺接枝黃原膠/棉花納米纖維素雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠電解質(zhì)的制備流程示意圖,(b)化學(xué)結(jié)構(gòu),(c)實(shí)物照片。
圖2. (a)水凝膠孔道的掃描電鏡圖,(b)水凝膠紅外光譜表征,(c-e)水凝膠力學(xué)性能、粘附強(qiáng)度測(cè)試,(f)水凝膠電解質(zhì)離子電導(dǎo)率測(cè)試,(g)水凝膠拉伸、戳刺、粘性的實(shí)物照片。
隨后,研究團(tuán)隊(duì)將該水凝膠電解質(zhì)應(yīng)用于柔性Zn-MnO2電池(在導(dǎo)電碳布上刮涂MnO2/CNT復(fù)合物電極漿料獲得柔性正極;在導(dǎo)電碳布上電化學(xué)沉積鋅獲得柔性負(fù)極),實(shí)現(xiàn)了高比容量(237 mA·h g-1),優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性(1000次循環(huán)后容量保持率為86.2%),抑制枝晶生長(zhǎng)以及嚴(yán)苛條件(彎曲、折疊、戳刺、水洗、浸泡)下的工作穩(wěn)定性(圖3)。
令人印象深刻的是,基于這一種穩(wěn)定水凝膠電解質(zhì)的柔性ZIBs除了能夠?yàn)榭纱┐髟O(shè)備(發(fā)光腕帶、運(yùn)動(dòng)手表)供電之外,還可用于水下預(yù)警救援系統(tǒng)中(圖4)。水下運(yùn)動(dòng)者在遇到危險(xiǎn)時(shí),可以通過(guò)按壓胸前柔性ZIBs供電的發(fā)射模塊,射頻電路發(fā)出的無(wú)線信號(hào)被水岸上的接收模塊獲取,隨即紅色LED警示燈發(fā)亮,提醒救援人員,這拓寬了柔性電池的實(shí)際應(yīng)用。
圖3. (a-f)柔性水系鋅離子電池在嚴(yán)苛條件(彎曲、折疊、戳刺、水洗、浸泡)下的工作穩(wěn)定性測(cè)試,(g)電池在水下工作,(h)封裝電池在水下充放電循環(huán)測(cè)試。
圖4. (a-b)柔性水系鋅離子電池的可穿戴應(yīng)用,(c-d)水下預(yù)警救援系統(tǒng)的應(yīng)用。
該工作為高性能、高安全性的柔性儲(chǔ)能器件的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與應(yīng)用場(chǎng)景提供了新思路。該研究工作的第一作者為東華大學(xué)王寶俊博士生,通訊作者為東華大學(xué)李耀剛、王宏志教授。
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c12313
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