天津大學鐘澄團隊Adv. Mater.：由高保水性凝膠電解質與反應改性劑組成的高能量、長壽命的可充電鋅空氣電池

【引言】

低成本的水系鋅空氣電池（ZABs）理論上可以提供1086 Wh kg^?1的高能量密度，因此引起了極大的關注。近年來對柔性固態ZABs的研究表明，其在柔性和可穿戴設備方面具有巨大的潛力。盡管在開發固態ZABs方面取得了顯著的進展，但仍有幾個關鍵問題嚴重阻礙了原型電池的真正實際應用。首先，當前的固態ZABs的工作壽命仍然非常有限。第二，氧化還原反應的高過電位導致的低能效是另一個亟待解決的問題。為了解決這些問題，人們在開發雙功能空氣催化劑電極方面付出了巨大的努力。但是，如果不從整體上對ZABs進行優化，就不能充分解決上述問題。因此，開發能夠從根本上提高ZABs壽命和能源效率的策略是非常必要的。應該更多地關注其他電池成分和反應機制，這些在以前被忽視，但在實際ZABs中確實至關重要。半固態凝膠聚合物電解質（GPE）是柔性ZABs的核心部件。與雙功能催化劑相比，高性能GPEs的發展嚴重滯后。傳統的聚乙烯醇（PVA）基GPEs被認為具有相對較低的離子導電性、較差的拉伸性和較弱的保水能力。在尋找其他更好的GPE系統方面做了一些嘗試，提供了PVA基的GPE修改的策略。

【成果簡介】

近日，在天津大學鐘澄教授團隊等人帶領下，通過聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸和氧化石墨烯之間的多重交聯反應，以及對堿和KI反應改進劑的強烈吸收，制備了一種堿性凝膠聚合物電解質（GPE）。與傳統的PVA凝膠電解質相比，所制備的GPE在機械強度、離子電導率和保水性能方面有了本質的改善。此外，GPE中引入的反應改進劑I^?改變了常規的析氧反應的路徑，使其在熱力學上更有利。優化后的GPE具有極低的充電電壓（1.69 V），較長的循環時間（200 h），較高的能源效率（73%），以及在不同極端工作條件下的可靠性。此外，ZABs在各種實際的可穿戴電子設備上的成功集成，證明了其作為柔性電源的出色實用性。該成果以題為“A Rechargeable Zn-Air Battery with High Energy Efficiency and Long Life Enabled by a Highly Water-Retentive Gel Electrolyte with Reaction Modifier”發表在了Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 KI-PVAA-GO GPE的制備工藝示意圖

上圖：KI-PVAA-GO GPE的制備工藝示意圖，重點介紹了PVAA-GO聚合物網絡的微觀結構。下圖：利用PVAA-GO GPE的三明治式和電纜型柔性ZABs的結構。

圖2 GPEs的表征

a-c）PVAA-GO的光學圖像.

d）PVAA-GO的SEM圖像。

e）GO和各種凝膠聚合物的XRD圖譜。

f）GO和各種凝膠聚合物的FT-IR光譜。

g）GO和各種凝膠聚合物的拉曼光譜。

h）PVA、PVAA和PVAA-GO的吸水和電解質吸收行為。

i）GPEs的電解質保持能力。

j）GPEs的離子電導率。

圖3?不同空氣電極的表征

a）PVA、PVAA、KI-PVAA、PVAA-GO和KI-PVAA-GO GPEs的ZABs在2 mA cm^-2處進行恒電流充放電測試。

b）線性掃描伏安曲線。

c）充電不同時間后，4 M?KOH + 2 M?KI溶液的UV-vis光譜。

d-f）SEM圖像：d）制備的空氣電極，e）未添加KI的ZAB失效后的空氣電極，f）與（e）相同的循環后，含有KI的ZAB的空氣電極在2 mA cm^-2的電流密度下。

圖4?采用PVA、PVAA-GO和KI-PVAA-GO GPEs的三明治型ZAB的電化學性能表征

a）電流為2 mA cm^-2時的恒電流充放電曲線。

b）在不同電流密度下的放電曲線。

c）放電曲線和相應的功率密度。

d）比容量。

e）比較三明治型KI-PVAA-GO ZAB和先前報道的固態ZAB之間的循環壽命和充電電位。

圖5?使用KI-PVAA-GO GPE的柔性ZAB的演示

a）三明治型ZAB在0°、90°、120°和180°不同彎曲角度下的恒電流充放電曲線。

b）電纜型ZAB在不同條件下（即一條線和一條或兩個結的線）的恒電流充放電曲線。

c）給數字手表供電時，三明治型ZAB進行切割試驗。（左：初始狀態。中：通電3天后第一次切割。右：通電6天后第二切割。）

d）四個ZAB串聯為一個脈沖傳感器供電，屏幕上顯示脈沖波形。

e）將3個（e）三明治型和（f）電纜型ZAB串聯在一起，為商用智能手表供電。

g）由4個集成的三明治式ZAB串聯供電的柔性顯示手帶的照片。

【小結】

綜上所述，成功制備了以KI為反應改性劑的堿性PVAA-GO GPE。與傳統的PVA基GPE相比，所有組分之間的多重交聯作用和由此產生的凝膠聚合物基質的高度親水性使PVAA-GO GPE具有顯著的保水能力、離子導電性和機械靈活性。此外，GPE中I^?/IO₃^?的轉換使OER途徑向著更熱力學傾向的方向改變，從而使充電電位降低到1.69 V，并將ZAB的能效提高到73%。由于失水現象大大減少，并且由于過度充電而減輕了空氣電極的退化，因此柔性ZABs具有200小時的長使用壽命。PVAA-GO GPE基的電纜和三明治式ZABs在極端的工作條件下顯示出高可靠性，并且在集成到各種柔性和可穿戴電子設備中時具有出色的可擴展性。

文獻鏈接：A Rechargeable Zn-Air Battery with High Energy Efficiency and Long Life Enabled by a Highly Water-Retentive Gel Electrolyte with Reaction Modifier（Adv. Mater.，2020，DOI:10.1002/adma.201908127）

本文由木文韜整理編輯。

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