中国科学院苏州纳米所周小春研究员课题组在《Advanced Energy Materials》期刊上发表了题为“Highly Safe, Durable, Adaptable, and Flexible Fuel Cell Using Gel/Sponge Composite Material”的文章（DOI: 10.1002/aenm.202103178）。随着便携式可穿戴电子设备的迅速发展，能源供应中不可避免地会发生各种安全事故，例如系统被压缩、弯曲、切割、发生泄漏、引起火灾等。因此，开发能够安全使用的能源供应系统非常的重要。该课题组通过合成和应用一种新型的琼脂凝胶与木质海绵的复合材料，即凝胶/海绵复合材料，成功研制了一种安全、耐用、适应性强并具有出色柔性的自呼吸式直接甲醇燃料电池(DMFC)。主要研究结果及意义如下:一、新型复合材料由于其独特的成分和结构，具有吸收速度快 (约10 s即吸收饱和)、循环性能好(循环次数＞10次)、甲醇吸收率高(>5.2 g/g)、含能高(>30.8 kWh/kg)、柔性好等优点。二、此外，复合材料对甲醇溶液具有很强的保留能力，在29.4 kPa的压力下，含1.5%琼脂凝胶的复合材料可以保留约90%的甲醇溶液。其面能量密度接近13.7 mWh cm-2。三、并且，使用凝胶/海绵复合材料制成的DMFC电堆成功地经受住了一系列的破坏性测试，包括长针刺穿、切割、弯曲和压缩等。由于新型复合材料能吸收并保留住甲醇溶液，所以在进行破坏性试验时没有燃料泄漏，使得DMFC避免了爆炸、着火等安全问题。此外，利用吸收材料固化气态或液态燃料的概念，可以普遍应用于提高其他燃料电池的安全性、适应性和柔性。
示意图1 柔性供能系统的破坏性试验包括柔性锂离子电池、柔性超级电容器和柔性燃料电池等。破坏性测试包括针头穿透、压缩、弯曲、切割、泄漏和着火。
图1 琼脂凝胶与木质海绵复合材料的制备与表征。(a)将琼脂凝胶浇注到木质海绵中制备得到凝胶/海绵复合材料。(b)凝胶/海绵复合材料吸收甲醇。(c)吸收甲醇后的凝胶/海绵复合材料。(d)将含甲醇的凝胶/海绵复合材料安装到自呼吸式DMFC中。(e)一体化自呼吸式DMFC。(f)自呼吸式DMFC被破坏后，由于甲醇的蒸发而产生混合电位。(g)琼脂凝胶、木制海绵和凝胶/海绵复合物的照片。(h)大尺寸柔性凝胶/海绵复合材料(10.5 × 4 × 0.2 cm3)。(i)琼脂凝胶的SEM图像。(j)木质海绵的SEM图像。(k)凝胶/海绵复合材料的SEM图像。(l)凝胶/海绵复合材料放大后的SEM图像。
图2 凝胶/海绵复合材料的吸收性能研究。(a)原始干燥复合材料的图像。(b)吸收甲醇后的复合材料。(c)干燥的复合材料。(d)第二次吸收甲醇后的复合材料。(e)复合材料在吸收甲醇和干燥过程中的循环性能。(f) 1.5%琼脂凝胶复合材料在不同甲醇浓度下对甲醇溶液的吸收能力。(g)吸收时间为40 s时，复合材料对溶液和甲醇的吸收能力。(h)不同琼脂凝胶比例的复合材料在23 M甲醇中的甲醇吸收能力。(i)半干燥复合材料的图像。(j-m)复合材料的吸收过程示意图。(j)干燥的复合材料。(k)开始吸收溶液。(l)吸收溶液的中间阶段。(m)吸收溶液结束时。
图3 复合材料在压力下保持溶液的能力。(a)琼脂凝胶在29.4 kPa的压力下破碎。(b)未填充琼脂凝胶的木质海绵在29.4 kPa的压力下释放大量的甲醇溶液。(c) 1.5%琼脂凝胶的复合材料在29.4 kPa压力下几乎不释放甲醇溶液。(d)琼脂凝胶、木质海绵和复合材料的压力-应变测试。(e)含不同比例琼脂凝胶的复合材料在不同压力下对23 M甲醇溶液的保留率。(f)在29.4 kPa压力下，不同比例琼脂凝胶的复合材料对甲醇溶液的保留率。(g) 在e两个压力区，不同比例琼脂凝胶的复合材料对甲醇保留率的下降速率。(h) 29.4 kPa压力下，不同比例的琼脂凝胶复合材料对23 M甲醇的保留能力。
图4 使用1.5%琼脂凝胶复合材料的自呼吸式DMFC单电池的抗破坏试验。(a)完整DMFC示意图。(b) 针穿过燃料电池和复合材料的DMFC示意图。(c)切割一个角并去掉针留存针孔后的DMFC示意图。(d)完整DMFC的图片。(e) 针穿过燃料电池和复合材料的DMFC图片。(f) 切割一个角并去掉针留存针孔后的DMFC图片。(g) DMFC被切去一半。(h) DMFC的主要部分被切割。(i, j, k, l, m)分别用红外热像仪测量(d, e, f, g, h)的DMFC表面温度。绿色目标框内的温度(i, j, k, l, m)分别为28.5, 29.9, 28.0, 27.0和25.5⁰C。
图5 使用1.5%琼脂凝胶复合材料制备的DMFC单电池在破坏性试验中的性能。(a)DMFC在不同破坏条件下的极化曲线和功率密度。(b) a中的开路电位随剩余面积的变化。(c) a中的最大电流密度随剩余面积的变化。(d) a中的峰值功率密度(Pmax)随剩余面积的变化。蓝点和红点分别代表完整燃料电池和带针燃料电池。
图6 不同温度下使用凝胶/海绵复合材料的自呼吸式DMFC的性能。(a)不同温度下的极化曲线。(b)功率密度随温度的变化。(c)开路电位随温度的变化。(d) 0.05V时电流密度随温度的变化。(e)峰值功率密度随温度的变化。(f)在80℃下测试后自呼吸式DMFC的图片。(g) 80°C测试后的MEA。(h) 80℃测试后的复合材料。
图7 使用1.5%琼脂凝胶复合材料的DMFC电堆的破坏性试验。(a)破坏性实验示意图。切割第一个电池的边缘，然后用针刺穿第2、3、4个电池。(b)使用1.5%琼脂凝胶复合材料并由4个单电池组成的DMFC电堆的工作状态。(c)破坏性测试前后DMFC电堆的性能。(d)破坏性实验后DMFC电堆的俯视图。(e)破坏性实验后DMFC电堆的正视图。
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