江南大学魏取福教授团队 AFM: “盐包水”型非碱性凝胶聚合物电解质助力柔性锌空气电池超长运行时间

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凝胶聚合物电解质组装的柔性锌空气电池有望应用于可穿戴电子设备。然而，低可逆性和短循环寿命阻碍了锌空气电池的产业化进程。鉴于锌空气电池的半开放结构，热力学不稳定的凝胶聚合物电解质中的水分不可避免地持续蒸发从而导致离子电导率、电池能量输出和寿命急剧下降。同时，失水引起的盐结晶严重破坏了反应界面和空气通道以及凝胶聚合物电解质的力学性能。

鉴于以上问题，近日江南大学魏取福教授团队受沙漠仙人掌集雾补水启发，提出了一种“盐包水”型非碱性凝胶聚合物电解质并应用于柔性锌空气电池。其中三氟甲基磺酸锌和乙酰胺配位作用促进了电解质盐的解离，并构建了“盐包水”型电解质系统。聚丙烯酸和纳米纤维素纤维组成的双网络结构通过物理缠结和可逆氢键增强了电解质凝胶的机械强力和拉伸性。该电解质具有良好的热力学稳定性。电解质组分之间的强烈相互作用促进了从环境捕获水分，实现了水分子吸附和解吸的动态平衡。该凝胶聚合物电解质所构筑的柔性锌空气电池工作寿命可达1300小时。此外，电解质具有优异的粘附性能使其与正负极紧密结合，从而消除了大多数柔性锌空气电池所需的固定措施。“三明治型”和“电缆型”锌空气电池也表现出了良好柔韧性和实用性。这项工作为开发高稳定性凝胶聚合物电解质提供了一种新策略，也将促进柔性可穿戴锌空气电池的学术研究和实用化进程。 该工作以““Water-in-Salt” Nonalkaline Gel Polymer Electrolytes Enable Flexible Zinc-Air Batteries with Ultra-Long Operating Time”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。本文第一作者为江南大学纺织科学与工程学院博士研究生张延安，文章的通讯作者为江南大学魏取福教授、吕鹏飞研究员和闽江学院柯惠珍副教授。

图1. （a）仙人掌集雾机制，（b, c）凝胶聚合物电解质的制备和双网络结构，(d) 电解质吸湿机制，（e）三氟甲基磺酸锌和乙酰胺配位作用。
图2. 凝胶聚合物电解质的稳定性和黏附性图3. 基于凝胶聚合物电解质的锌空气电池性能图4. “三明治型”和“电缆型”锌空气电池的柔性和初步应用
该工作是团队近期关于纳米纤维增强聚合物水凝胶研究的最新进展之一，相关成果已发表在Energy Storage Mater. 2021, 42, 88；Chem. Eng. J. 2022, 440, 135719；Chem. Eng. J. 2020, 399: 125668; Carbohyd. Polym. 2021, 255: 117508；Compos. Part B 2021, 224, 109228; Adv. Electron. Mater. 2020, 6(1), 1900934; Compos. Commun. 2022, 30, 101073和Compos. Commun. 2021, 28, 100951等学术期刊上。

文章链接：

“Water-in-Salt” Nonalkaline Gel Polymer Electrolytes Enable Flexible Zinc-Air Batteries with Ultra-Long Operating Time

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202203204

通讯作者简介

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魏取福教授简介：英国 Heriot-Watt 大学博士，哈佛大学高级访问学者，现任江南大学生态纺织教育部重点实验室主任，二级教授、博士生导师。入选教育部新世纪优秀人才。主持和承担了国家重点研发计划、国家高技术研究计划（863）、国家自然科学基金、科技部科研院所专项、教育部创新团队、新世纪人才计划、教育部重点项目等科研项目20余项。相关成果获教育部自然科学二等奖、新疆维吾尔自治区自然科学二等奖、中国商业联合会科学技术一等奖、纺织工业协会教学成果一等奖等科研奖励。近年共发表SCI收录论文400余篇，其中包括Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Energy Storage Mater.、Chem. Eng. J.和Green Chem.等国际权威学术期刊；已授权国家发明专利30多项，国际发明专利2项，香港发明专利1项。主编有Woodhead Publishing 出版的英文学术专著2部。2020和2021连续两年入选爱思唯尔纺织科学与工程中国高被引学者。

吕鹏飞研究员简介：2019年获得江南大学与北卡罗来纳州立大学联合培养博士学位，2019-2021年在天津大学材料学院从事博士后研究。主要致力于功能纳米纤维材料的设计与制备及其在智能可穿戴、软体机器人和热管理等领域的应用研究。迄今已发表SCI论文60余篇，他引1200余次，H因子21，其中包括Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Today、Adv. Funct. Mater.、Mater. Horiz.和Chem. Eng. J. 等国际权威学术期刊，申请发明专利8项。主持国家自然科学基金青年基金项目、中央高校基本科研计划-国防培育项目和江苏省自然科学基金面上项目等科研项目10余项，相关成果获江苏省优秀博士论文和全国王善元优秀博士论文基金和2021年新疆自治区自然科学二等奖等科研奖励。担任SCI期刊Frontiers in Energy Research、Frontiers in Materials和Materials等学术期刊客座编辑。

柯惠珍副教授简介：2016年获得江南大学与美国纽约州立大学石溪分校联合培养博士学位，2021-2022年在天津大学材料学院从事访问学者研究工作。现任福建省纺织服装实验教学示范中心主任，福建省新型功能性纺织纤维及材料重点实验室常务副主任。入选福建省高层次C类人才，福建省高校杰出青年科研人才、“闽都学者”拔尖人才。主要致力于功能纤维材料的设计与制备、柔性可穿戴太阳能电池等领域的研究。迄今已发表第一和通讯作者学术论文70余篇，其中包括cell子刊Trends in Chemistry、Adv. Funct. Mater.和Chem. Eng. J.等国际权威学术期刊。授权专利54项，其中发明专利10项，已转让专利5项。主持和承担了国家自然科学基金青年基金项目、中央引导地方科技发展专项资金项目、福建省自然科学基金面上项目、福建省自然科学基金青年创新项目、福建省技术创新重点攻关及产业化项目、福建省高校产学合作项目教育部产学合作协同育人项目等项目20余项。

课题组简介

功能纺织材料研究室隶属于江南大学纺织科学与工程学院，生态纺织教育部重点实验室，主要研究方向为纳米纤维功能材料、生物基纤维材料、智能可穿戴材料及其应用。课题组面向行业需要，立足国际前沿，先后主持参与完成国家重点研发计划、国家“863”计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省科技支撑计划等国家、省部级项目30余项及多项企业合作项目。近年来在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Nano Energy、Materials Horizons、Small、Chemical Engineering Journal、Green Chemistry、ACS Applied Materials & Interfaces、Carbohydrate Polymer和纺织学报等国内外期刊上发表学术论文700余篇，其中SCI学术论文500余篇；授权国家发明专利40余项，获国家和省、部级科学技术奖5项。近年来指导的博士研究生获全国优秀博士论文1名和江苏省优秀博士论文4名。目前，课题组有教师7人，其中教授4人、校聘研究员1人和副教授2人，其中博士生导师4人，实验室长期招收具有纺织工程、材料与化工和高分子材料等相关专业背景的优秀硕士生和博士生。如有意愿请联系魏老师：[e-mail]。

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