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西北工業大學趙陽《Small》：多級微裂紋結構電極實現高電壓高倍率長壽命的柔性水系鋅電池

2022-12-22 來源：高分子科技

隨著柔性可穿戴電子設備在我們日常生活中起到越來越重要的作用，亟需開發具有高安全性、高柔性、高能量密度和長循環壽命的新型柔性儲能器件。與采用易燃有機電解質的傳統柔性電池相比，柔性水系電池采用不易燃的水系電解質，具有更高的安全性。其中，柔性水系鋅電池具有理論比容量高、成本低、安全性高和制備工藝簡單等優勢，是可穿戴電子設備電源的良好候選者。然而，目前柔性水系鋅電池仍存在工作電壓低、倍率、循環穩定性較差等問題，嚴重制約了其發展和在可穿戴器件領域中的進一步應用。

近日，西北工業大學趙陽副教授團隊報道了一種具有多級微裂紋結構的柔性復合電極材料，其具有獨特的宏觀微裂紋結構和微觀多孔納米花結構。多級微裂紋結構不但能夠促進電解質的滲透和內部活性位點的有效暴露從而實現電荷的快速傳輸，而且能夠有效緩解電極在形變時的應力集中，賦予復合電極優異的電化學性能和高的機械柔性。基于該電極所制備的柔性水鋅電池具有高的工作電壓平臺和比容量(≈1.7 V, 258.9 mAh g^?1)，超高的倍率性能(在50 A g^?1的電流密度下比容量為135.8 mAh g^?1)和超長的循環壽命(在20000次循環充放電后容量保持率為74.6%)。此外，該柔性電池可承受3000次彎曲（容量保持率為93.1%），展現出優異的柔性，并可輕松編織成柔軟的電子織物為智能手機供電。

該工作以“Constructing carbon nanotube hybrid fiber electrodes with unique hierarchical microcrack structure for high-voltage, ultrahigh-rate and ultralong-life flexible aqueous zinc batteries”為題在線發表在國際期刊《Small》上。文章通訊作者為西北工業大學趙陽副教授，通訊單位為西北工業大學。

圖1. 具有多級微裂紋結構的柔性復合電極的結構和形貌表征

圖2. 雙金屬磷化物/碳納米管柔性復合電極的表征

圖3. 柔性復合電極的電化學性能

圖4. 柔性復合電極的儲能機制研究

圖5. 柔性水系鋅電池的電化學性能和柔性研究

本文構建了具有多級微裂紋結構的新型柔性復合電極，該結構不僅能夠有效促進電解質的滲透和電極材料活性位點的有效暴露，并且能夠有效緩解柔性電極在發生形變時的應力集中，從而實現了兼具優異電化學性能和高機械柔性的復合電極材料。基于該電極所制備的柔性水鋅電池展現出了高的工作電壓平臺和比容量、超高的倍率性能、超長的循環壽命和高的安全性等優異電化學性能；此外，該水系鋅電池還具有優異的柔性，能夠很容易地被編織到柔軟的電子織物中為智能手機等設備供電，在柔性可穿戴電子設備領域具有較好的發展和應用前景。該工作為高電化學性能高柔性新型電極的設計提供了新的見解。

論文信息：Hui Wang, Yufei Lu, Zhentao Nie, Haodong Liu, Bingfei Dai, Xiaofan Shi, Bing Yan, Tiancheng Zhao, Zhitao Zhang, Jixin Zhu, and Yang Zhao*, Constructing carbon nanotube hybrid fiber electrodes with unique hierarchical microcrack structure for high-voltage, ultrahigh-rate and ultralong-life flexible aqueous zinc batteries, Small 2022, DOI: 10.1002/smll.202206338.

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202206338

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（責任編輯：xu）

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