AEnM: 使用新型凝胶/海绵复合材料的高安全性、耐用性、适应性及柔性的燃料电池

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、着火等。因此，开发能够安全使用的能源供应系统非常的重要。

然而，到目前为止，有关燃料电池安全性研究的报道还很少。对于燃料电池来说，机械过载引起的燃料泄漏可能会造成灾难性的影响。是否有可能制造出一种高度耐用的燃料电池，能够通过一系列安全测试，如针刺、压缩、弯曲，甚至切割? 此外，在这些安全试验中，应有效地抑制燃油泄漏、热失控、火灾、爆炸等灾难性影响。

【工作介绍】

近日，中国科学院苏州纳米所周小春研究员课题组等人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、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、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。该文章发表在Advanced Energy Materials上。邹思怡为本文第一作者。

【内容表述】

凝胶和海绵是两种具有非常好的力学性能的多孔材料。这些材料可折叠、可卷曲、可拉伸、可塑形。因此，凝胶和海绵被广泛应用于便携式和可穿戴式电子设备中，作为电解质、电极、粘合剂和燃料容器。由于凝胶和海绵的使用，柔性能源供应包括柔性锂离子电池、超级电容器和锌空气电池都具有较高的柔性、弹性、安全性、自愈性和耐低温性。特别是通过凝胶和海绵将液体电解质转化为固态，大大提高了柔性能源供应的安全性。

然而，到目前为止，有关燃料电池安全性研究的报道还很少。对于燃料电池来说，机械过载引起的燃料泄漏会造成灾难性的影响。普通的水凝胶在释放甲醇后会经历较大的体积收缩，并且它们的应力太低不能保持其形状，而海绵虽然有很强的液体吸收能力和较强的形状保持能力，但其保留液体的能力较弱，在一定的压力下，液体很容易从海绵中被挤出。因此，需要制备一种具有保形、持液能力强、吸液能力强等优点的先进材料。由这种材料制成的高耐用燃料电池必须通过安全测试，如针的刺穿、压缩、弯曲甚至切割。

1. 琼脂凝胶与木质海绵复合材料的制备与表征

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，并将含甲醇的凝胶/海绵复合材料安装到自呼吸式DMFC中，而被破坏的DMFC由于甲醇的蒸发会产生混合电位。SEM图显示琼脂凝胶成功填入木制海绵的孔洞中。

图1 琼脂凝胶与木质海绵复合材料的制备与表征。

2. 复合材料在无外界施压下的吸收性能

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)等优点。

图2 凝胶/海绵复合材料的吸收性能。

3. 复合材料在压力下的溶液保持能力

该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。

图3 复合材料在压力下的溶液保持能力。

4. 使用新型复合材料的DMFC单电池的安全性和适应性

在经过一系列破坏性试验后，该自呼吸式DMFC不仅能成功存活，而且还能正常工作。

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。

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。

5. 使用新型复合材料的自呼吸式DMFC在不同温度下的性能

在80℃下测试后，自呼吸式DMFC、MEA和复合材料均未受到高温的破坏。在大多数情况下，图6中的温度已大大超过了大气温度（50℃）。因此，采用该复合材料的自呼吸式DMFC可以在不同的大气温度下生存。

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。

6. 使用新型复合材料柔的性DMFC电堆的破坏性试验

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。

图7 使用1.5%琼脂凝胶复合材料的DMFC电堆的破坏性试验。

【结论】

本文利用琼脂凝胶和木质海绵，合成了凝胶/海绵复合材料，并将其应用到直接甲醇燃料电池中，制备了一种安全、耐用、适应性强、柔性强的自呼吸式DMFC。这种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。

Siyi Zou, Yali Li, Hanqing Jin, Fandi Ning, Pengpeng Xu, Qinglin Wen, Saifei Pan, Xiong Dan, Wei Li, Xiaochun Zhou, Highly Safe, Durable, Adaptable, and Flexible Fuel Cell Using Gel/Sponge Composite Material, Adv. Energy Mater. 2021, DOI:10.1002/aenm.202103178

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202103178