天津大學Nano Energy: 多孔納米二氧化硅復合聚乙烯醇基聚合物電解質用于長循環壽命的柔性鋅空氣電池

【引言】

隨著柔性電子顯示屏、可植入電子設備、類皮膚型傳感器、可穿戴的個人多媒體、手持設備等柔性和便攜式電子器件的快速發展，輕質、微型、超薄、可彎曲、可拉伸和可穿戴的能量儲存器件的發展至關重要。近年來，柔性鋅空氣電池由于其高的理論能量密度（1086 Wh kg^–1），低成本和環境友好性的特點，是一種十分具有發展前景的儲能器件。柔性鋅空氣電池一般由鋅陽極、固態/半固體電解質、空氣陰極和封裝材料組成。其中，半固態/固態電解質起著電極之間的離子傳輸作用，其離子傳導率、界面接觸等性質將顯著影響柔性鋅空氣電池的性能包括循環壽命，倍率特性和功率輸出等。近年來，聚乙烯醇基堿性聚合物電解質（PVA–KOH）由于制備簡單、化學穩定性好而受到了廣泛關注，但是鋅空氣電池獨特的半開放結構對PVA–KOH電解質體系的保水性、離子傳導能力提出了挑戰。因此，具有高保濕性、高離子傳導率保持性的新型聚合物電解質的開發成為突破柔性鋅空氣電池領域一個關鍵挑戰的研究重點。

【成果簡介】

傳統PVA–KOH聚合物電解質已經被廣泛應用于柔性鋅空氣電池的組裝。但是，由傳統PVA–KOH聚合物電解質體系組裝的鋅空氣電池具有以下問題：（1）由于PVA–KOH聚合物電解質中KOH的濃度較低而導致低的離子傳導率，（2）由于PVA的交聯結構而導致較為致密的聚合物基體從而使聚合物電解質的吸液性較差，（3）由于鋅空氣電池的半開放結構而使空氣電極一側水分易蒸發而對聚合物電解質的保濕性提出挑戰。

為了解決上述問題，天津大學材料學院在Nano Energy上發表了題為“Porous Nanocomposite Gel Polymer Electrolyte with High Ionic Conductivity and Superior Electrolyte Retention Capability for Long-Cycle-Life Flexible Zinc–Air Batteries”的文章。該工作制備了一種多孔結構的PVA來改善其聚合物電解質總體的吸液性，另一方面，通過引入表面具有羥基的二氧化硅納米顆粒以提高電解質的保濕性。并且，通過改變納米二氧化硅顆粒的引入量，獲得了具有最佳添加量（5 wt.%）的多孔納米二氧化硅復合PVA基聚合物電解質。該電解質表現出優異的離子電導率（57.3 mS cm^–1）和電解質保持能力以及良好的熱學和機械性能，使用該電解質組裝的柔性鋅空氣電池表現出長達48小時的優異的循環穩定性，穩定的放電性能和較高的功率輸出。更值得一提的是，使用這種多孔納米二氧化硅復合PVA基聚合物電解質組裝的柔性鋅空氣電池可以為多種電子裝置提供動力，同時可以承受各種彎曲條件的變形而沒有任何性能降低。

【圖文導讀】

圖1：柔性鋅空氣電池的組裝示意圖和多孔納米二氧化硅復合PVA基聚合物電解質的制備方法及其內部結構。

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圖2：

多孔納米二氧化硅復合PVA聚合物電解質的橫截面的 (a) 掃描電子顯微鏡照片, (b) 元素分析, (c–f) 碳(C), 氧(O), 硅(Si)元素面掃圖。

圖3：

基于多種PVA基聚合物電解質的鋅空氣電池的 (a) 充放電循環, (b) 倍率性能, (c) 恒電流放電, (d) 放電極化曲線, (e) 功率密度曲線

圖4：

(a) 兩個鋅空氣電池串聯電池組的開路電壓展示. 兩個鋅空氣電池串聯電池組點亮 (b) 移動電話, (c) 手持電風扇, (d) LED屏. (e) 組裝的手環狀鋅空氣電池組點亮LED電子表. (f) 在不同彎曲角度下鋅空氣電池的充放電循環曲線

【小結】

總的來說，通過在PVA聚合物基體上制造多孔結構，電解質的性能在各個方面均有了一定提高，如離子傳導率，液態電解質吸收率等。通過在PVA基聚合物電解質體系中引入適量的納米二氧化硅顆粒可以提高離子傳導率，液態電解質吸收率，液態電解質保持能力。并且，用所制備的含有最佳二氧化硅添加量（5 wt.%）的多孔納米二氧化硅復合PVA基聚合物電解質所組裝的鋅空氣電池顯示出優異的充放電循環穩定性，恒流放電性能，倍率性能和功率輸出，以及優異的柔性，在各種彎曲條件下沒有任何性能降低。

文獻鏈接：Porous Nanocomposite Gel Polymer Electrolyte with High Ionic Conductivity and Superior Electrolyte Retention Capability for Long-Cycle-Life Flexible Zinc–Air Batteries（Nano Energy, 2019, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.11.057）

本文由Sherry撰稿

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