东华大学王宏志教授团队：基于稳定水凝胶电解质的柔性且可水下使用的锌离子电池
伴随着各种新型便携式、可穿戴智能电子产品的兴起，柔性电池的市场需求巨大。目前，市场主流的锂离子电池因其锂资源储量有限、严重的安全隐患和高成本等问题，促使人们探索下一代具有产业化前景的高安全性、清洁可再生的储能技术。因此，具有低成本、高安全性、高容量、易组装等优势的柔性水系锌离子电池（ZIBs）已成为当前柔性电池领域的研究热点。柔性ZIBs通常采用半固态聚合物作为电解质，其克服了液态电解液漏液的缺点并可同时起到隔膜和电解液的作用，然而聚合物电解质仍存在机械强度差、离子电导率低等问题，这极大限制了柔性ZIBs的进一步发展。因此，为柔性ZIBs开发高机械强度、高离子电导率、热化学稳定性好、界面阻抗低的聚合物电解质具有重要意义。
鉴于此，东华大学材料科学与工程学院王宏志教授团队报道了一种具有高机械强度、高离子电导率（28.8 mS cm-1）、强离子吸附能力、界面阻抗低以及热稳定性良好的新型水凝胶电解质，并将其应用于柔性ZIBs，实现了优异的电化学性能和环境适应性。相关研究以“Stable Hydrogel Electrolytes for Flexible and Submarine-Use Zn-Ion Batteries”为题，在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上发表。
近来，聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶电解质得益于其含水量高、界面兼容性好的优点，已被广泛应用于柔性ZIBs，然而仍存在机械强度低、离子电导率低的缺点。因此，研究团队采用PAM作为聚合物基体，引入绿色环保天然的聚合物黄原胶（XG）和棉花纳米纤维素（CNF），加入无机锌盐，设计了一种PAM-XG接枝聚合物复合CNF双网络结构水凝胶电解质（图1）。其中，CNF具有亲水性骨架和微孔网络结构，能够作为增强体来提高PAM水凝胶的机械强度和离子电导率；XG是一种结构复杂的胞外多糖，侧链上富含的羟基、羧基能吸引相当数量的水分子，长碳链可以加强XG与水分子之间的相互作用，因此其可以提高PAM水凝胶的机械强度和离子电导率（图2）。
图1. （a）聚丙烯酰胺接枝黄原胶/棉花纳米纤维素双网络结构水凝胶电解质的制备流程示意图，（b）化学结构，（c）实物照片。
图2. （a）水凝胶孔道的扫描电镜图，（b）水凝胶红外光谱表征，（c-e）水凝胶力学性能、粘附强度测试，（f）水凝胶电解质离子电导率测试，（g）水凝胶拉伸、戳刺、粘性的实物照片。
随后，研究团队将该水凝胶电解质应用于柔性Zn-MnO2电池（在导电碳布上刮涂MnO2/CNT复合物电极浆料获得柔性正极；在导电碳布上电化学沉积锌获得柔性负极），实现了高比容量（237 mA·h g-1），优异的倍率性能和循环稳定性（1000次循环后容量保持率为86.2%），抑制枝晶生长以及严苛条件（弯曲、折叠、戳刺、水洗、浸泡）下的工作稳定性（图3）。
令人印象深刻的是，基于这一种稳定水凝胶电解质的柔性ZIBs除了能够为可穿戴设备（发光腕带、运动手表）供电之外，还可用于水下预警救援系统中（图4）。水下运动者在遇到危险时，可以通过按压胸前柔性ZIBs供电的发射模块，射频电路发出的无线信号被水岸上的接收模块获取，随即红色LED警示灯发亮，提醒救援人员，这拓宽了柔性电池的实际应用。
图3. （a-f）柔性水系锌离子电池在严苛条件（弯曲、折叠、戳刺、水洗、浸泡）下的工作稳定性测试，（g）电池在水下工作，（h）封装电池在水下充放电循环测试。
图4. （a-b）柔性水系锌离子电池的可穿戴应用，（c-d）水下预警救援系统的应用。
该工作为高性能、高安全性的柔性储能器件的开发设计与应用场景提供了新思路。该研究工作的第一作者为东华大学王宝俊博士生，通讯作者为东华大学李耀刚、王宏志教授。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c12313
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