香港城市大學支春義Adv. Energy Mater.：基于耐堿，雙網水凝膠電解質的超伸縮鋅-空氣電池

【引言】

雖然已有很多伸縮的超級電容器和電池的報道，但超伸縮鋅-空氣電池的開發仍然是一個挑戰。鋅-空氣電池的理論能量密度高達1086 Wh?kg^-1，遠高于商用鋰離子電池，有望用于下一代長效電力系統。此外，組裝鋅-空氣電池的過程不需要無水和無氧環境，這有利于低成本擴大規模。因此，開發具有可伸縮和可編織的鋅-空氣電池作為用于各種柔性/可穿戴設備的動力單元將具有很大的吸引力。開發超伸縮鋅-空氣電池的難點在于，必須使用強堿性電解液（6 M KOH）才能獲得相當大的功率密度。另一方面，可伸縮儲能裝置的重要組成部分的超可伸縮水凝膠在如此強的堿性環境下會失去其可伸縮性。因此，缺乏具有高伸縮性和優異離子輸運能力的耐堿性水凝膠電解質是制備超伸縮性鋅-空氣電池，并提高其可可穿戴性的關鍵挑戰。

【成果簡介】

近日，在香港城市大學支春義教授團隊（通訊作者）首次設計開發了超伸縮、扁平狀（800％可拉伸）和纖維狀（500％可拉伸）的耐堿性雙網絡水凝膠電解質的鋅-空氣電池。在雙網絡水凝膠電解質中，聚丙烯酸鈉（PANa）鏈有助于形成軟區域，被羥基中和的羧基以及作為氫氧化鉀穩定劑的纖維素負責增強的堿性耐受性。獲得的超伸縮扁平狀鋅-空氣電池具有108.6mW·cm^-2的高功率密度，拉伸800％后增加到210.5mW·cm^-2。在500％可拉伸的纖維狀電池上也觀察到類似的現象。該裝置即使在發生嚴重變形后也能保持穩定的輸出功率，這得益于所開發的高度柔軟，耐堿的水凝膠電解質。還展示了可彎曲的電池顯示系統和防水可穿戴纖維鋅-空氣電池。這項工作將促進使用鋅-空氣電池供電柔性電子產品和智能服裝的進展。此外，所開發的耐堿性超伸縮電解質也可以應用于許多其他堿性電解質的能量存儲/轉換裝置。相關成果以題為“Super-Stretchable Zin-Air Batteries Based on an Alkaline-Tolerant Dual-Network Hydrogel Electrolyte”發表在了Adv. Energy Mater.上。

【圖文導讀】

圖1?PANa-纖維素水凝膠電解質的合成方法

a）使用MBAA（交聯劑），丙烯酸酯（AA，主要單體）和纖維素（增強劑）的 PANa-纖維素雙網絡水凝膠電解質的合成方法。

b）冷凍干燥的PANa，纖維素和PANa-纖維素水凝膠的FT-IR光譜。

c）合成的PANa和PANa-纖維素水凝膠電解質的AC阻抗。插圖是由（c）計算的PANa和PANa-纖維素水凝膠電解質的離子電導率。

d）冷凍干燥的PANa-纖維素水凝膠的橫截面的SEM圖像。

圖2?PANa -纖維素水凝膠電解質的機械性能測試

a）添加和不添加300% 6 M?KOH + 0.2 M?Zn(CH₃COO)₂合成的PANa和PANa-纖維素水凝膠電解質的拉伸應力與應變曲線。插圖是300% 6 M?KOH + 0.2 M?Zn(CH₃COO)₂溶液與PANa-纖維素水凝膠電解質混合后的松弛和伸長狀態的光學照片，顯示出優異的拉伸性能。

b）在堿性條件下比較PAA、PAM、PANa和PANa-纖維素水凝膠的拉伸性能。插圖是PAA、PAM、PANa和PANa-纖維素水凝膠的初始狀態和浸泡300％6?M KOH溶液8小時后的照片。紅色和藍色矩形表示水凝膠浸潤堿性溶液前后的形狀。

c）不同水凝膠電解質的堿耐受能力的比較。

d）含有不同濃度KOH溶液的PANa-纖維素水凝膠電解質的極限強度和最大伸長率。

e）含有300％?6 M?KOH溶液的PANa-纖維素水凝膠電解質在不同的堿性腐蝕時間后的極限強度和最大延伸率。

f）超拉伸性機理的示意圖。

g）PANa -纖維素水凝膠電解質通過氫鍵相互作用俘獲KOH和水的結構示意圖。

圖3?扁平狀鋅-空氣電池的電化學性能測試

a）800%可拉伸扁平狀鋅-空氣電池示意圖。

b,?c）應變為0-800%的超拉伸扁平狀鋅-空氣電池的（b）極化曲線和（c）相應功率密度曲線。

d）最大功率密度vs. 拉伸應變圖。插圖是扁平狀鋅-空氣電池在完全釋放狀態和800%應變的照片。

e）在5mA·cm^-2的電流密度下的恒電流充放電循環曲線。

f）在不同拉伸應變下的相應的放電-充電電壓平臺。

g）在5mA·cm^-2的電流密度下的恒流充放電循環性能。

h-k）扁平狀鋅-空氣電池依次經受不同的機械變形并且（l）被釋放。

m）在（h-k）連續變形前后的扁平狀鋅-空氣電池的極化曲線。

n）集成電池發光面板系統的光學照片：經過各種機械變形折磨后，兩個串聯電池連接在電致發光面板的背面，初始和彎曲條件下形成一個靈活的電池顯示系統（尺寸：18×5cm）。

圖4 纖維狀鋅-空氣電池的電化學性能測試

a）500％可拉伸的纖維狀鋅-空氣電池的示意圖。

b）不同變形狀態下，纖維狀鋅-空氣電池的最大功率密度。插圖是不同變形狀態下，纖維狀鋅-空氣電池的照片。

c）不同變形狀態下，纖維狀鋅-空氣電池的極化曲線。

d,?e）PANa -纖維素水凝膠電解質在完全釋放狀態和500%拉伸應變下，纖維狀超伸縮性鋅-空氣電池的（d）極化曲線和（e）相應功率密度曲線。

f）最大功率密度vs. 拉伸應變圖。

g）在5mA·cm^-2的電流密度，500％的應變下條件下，纖維狀鋅-空氣電池的循環測試。插圖是完全釋放狀態和500％應變的纖維狀鋅-空氣電池的照片。

h）纖維狀鋅-空氣電池浸水前后的極化曲線。插圖是一種纖維狀的鋅-空氣電池，部分浸在水中為電動手表供電。

i）纖維形狀的鋅-空氣電池被編織成腕帶，為智能手表供電的圖片。插圖分別是從正面和背面拍攝的照片。

【小結】

大多數水凝膠在加入強堿溶液后會失去其伸縮性，這使得開發超伸縮性鋅-空氣電池成為一項挑戰。在這項工作中，首先開發了一種耐堿性和超拉伸的雙網絡水凝膠電解質，該電解質由纖維素鏈和MBAA錨交聯的PANa水凝膠組成。即使含有300％（相對于水凝膠的重量）6 M?KOH水溶液，水凝膠電解質也可以容易地拉伸至1200％。將纖維素引入PANa網絡極大地增強了其機械強度、堿性吸收能力和離子傳導性，這些都有利于可拉伸器件的制備。隨后，使用耐堿性超伸縮PANa-cellulous雙網絡水凝膠開發了具有扁平狀（800％可拉伸）和纖維狀（500％可拉伸）結構的超伸縮和柔性鋅-空氣電池。即使在拉伸至800％（扁平）和500％（纖維狀）應變后，鋅-空氣電池仍提供穩定的輸出功率和增強的容量。團隊還展示了該設備的柔軟性、耐用性、防水性和可織性。其工作代表了可拉伸儲能/轉換設備在提高其機械耐久性和可靠性方面的堅實進展。所開發的耐堿性強的水凝膠電解質也可應用于許多需要強堿作為電解質的柔性/可拉伸裝置。

文獻鏈接：Super-Stretchable Zinc–Air Batteries Based on an Alkaline-Tolerant Dual-Network Hydrogel Electrolyte（Adv. Energy Mater., 2019, DOI:10.1002/aenm.201803046）

本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯，香港城市大學支春義教授修正供稿，材料牛整理編輯。

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