Science China Materials最新上线论文(2022.05.20)

用于高安全性电池和智能电子产品的刺激响应聚合物材料

第一作者: 牛嘉平

通讯作者: 崔光磊, 陈政

随着人们对高安全性电池和智能电子产品的需求日益增长, 能够对诸如热、pH值、湿度、压力或电场等外部刺激作出响应的刺激响应能量存储装置引起了广泛关注. 最典型的刺激响应材料是聚合物, 对于外界刺激它可以通过形成和破坏包括氢键和静电相互作用在内的二次作用力来实现其构型变化, 进而产生电导率和疏水性等内在性质的改变. 由于电池内部结构组成的复杂性和兼容性等问题, 刺激响应功能在可充电电池中的应用还处于起步阶段, 但许多针对外部刺激来调节聚合物结构的新概念已经出现. 本文综述了近年来聚合物材料在储能装置的热防护和智能化方面的研究进展, 重点介绍了聚合物材料在外界刺激下的结构转变及其对电池性能的影响. 最后, 本文展望了用于储能装置的刺激响应聚合物材料目前的局限性以及未来的发展方向.

Niu, J., Chen, Z., Zhao, J. et al. Stimulus-responsive polymers for safe batteries and smart electronics. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2033-2

生物相容性液态金属涂层可拉伸静电纺丝膜用于压力传感监控系统

第一作者: 王晓峰

通讯作者: 沈国震, 陈爱兵, 王丽丽

液态金属(LMs)是一种功能强大的无机材料, 由于其良好的流动性、低粘度、较高的金属导电性和低毒性, 在柔性和可变形电子产品中有着广阔的应用前景. 然而, 最近报道的基于LMs的传感设备需要复杂的工艺和高昂的制造成本. 本工作通过在电纺热塑性聚氨酯(TPU)纤维膜上涂覆LM液滴, 制备了柔性3D导电网络. LM悬浮在TPU纤维之间, 并自聚结成垂直弯曲和横向网状结构, 同时提供良好的生物相容性、导电性和可拉伸性. 基于LM-TPU复合薄膜的柔性装置表现出优异的特性: 可广泛使用的拉伸范围(0%–200%)、拉伸应变下足够的灵敏度(200%应变下的标准系数(GF)为0.2), 以及出色的稳定性和耐久性(9000次循环). 体外生物相容性实验表明, 直接附着在皮肤上的LMTPU复合膜具有良好的生物相容性. 这种基于应变传感器的集成监控系统适用于实时监控人体运动, 如肌肉运动和关节运动, 在医疗保健和人机接口方面具有应用前景.

Wang, X., Liu, J., Zheng, Y. et al. Biocompatible liquid metal coated stretchable electrospinning film for strain sensors monitoring system. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2081-0

自熄灭双面涂覆多功能隔膜用于高安全性柔性锂硫电池

第一作者: 孙崇博, 盛进之, 张祺

通讯作者: 周光敏

柔性锂硫电池被认为是可穿戴电子设备中高密度储能器件最有希望的候选者之一. 然而, 电池内部短路、热失控和起火燃烧等一系列安全问题严重制约着柔性锂硫电池的发展和实际应用. 开发能够抑制锂枝晶生长且不可燃烧的先进隔膜是推动柔性锂硫电池安全性的有效措施. 本工作制备了一种不易燃的多功能双面隔膜, 其具有自熄性、热稳定性、高导热性、良好的电解液渗透性、均匀的锂沉积和多硫化锂穿梭抑制作用. 该隔膜由含十溴二苯乙烷的聚丙烯腈纤维膜以及用于阻挡锂枝晶的氮化硼功能层和用于促进正极活性物质转化的还原氧化石墨烯功能层组成. 基于以上设计, 硫载量为2.7 mg cm⁻²的锂硫电池在0.1 C下循环100次后的比容量为916.8 mA h g⁻¹, 且该锂硫电池能在间歇性热冲击下保持性能稳定. 此外, 硫含量为8 mg的锂硫软包电池在弯曲条件下表现出6.3 mA h的容量.

Sun, C., Sheng, J., Zhang, Q. et al. Self-extinguishing Janus separator with high safety for flexible lithium-sulfur batteries. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2034-5

用于柔性和图案化电致变色器件的二维聚苯胺的喷墨打印研究

第一作者: 黄翔宇

通讯作者: 范苏娜, 张耀鹏

基于有机共轭聚合物的电致变色器件(ECD)在数字和彩色显示器中具有广阔的应用前景. 然而, 制备兼具优异电致变色性能、柔韧性和定制化图案的ECD仍然是一个挑战. 本文报道了利用喷墨打印技术制备二维层状聚苯胺(PANI)基柔性图案化ECD的方法. 层状PANI均匀分散在甲酸中, 能够实现高精度、稳定的喷墨打印. 同时, 层状PANI的纳米级厚度、适当的掺杂比例, 以及无添加剂的墨水成分, 使得打印后的PANI电极和器件保持较高的电致变色性能和电化学特性. 喷墨打印所得电极不仅表现出优异的光学对比度(76%, 750 nm波长)、良好的着色效率259.1 cm² C⁻¹、较短的着色/褪色时间(1.8/2.4 s), 而且具有赝电容特性与机械柔韧性. 此外, 本文所开发的二维层状PANI墨水可以定制化设计并打印成各种图案, 并以此制备电化学控制的可寻址电致变色显示器. 这种二维层状PANI电致变色材料可进一步用于柔性和图案化ECD, 在新型光电显示领域具有较好的应用前景.

Huang, X., Chen, J., Xie, H. et al. Inkjet printing of 2D polyaniline for fabricating flexible and patterned electrochromic devices. Sci. China Mater. (2022). https://doi.org/10.1007/s40843-022-2037-4