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对下一代可穿戴电子设备的不断追求,提出了对具有高度柔性、耐用性和增强电化学性能的可靠能源设备的需求。柔性水系锌-空气电池(FAZABs)因其高能量密度、安全性和环境友好性而引起了人们的极大兴趣,其中准固态凝胶聚合物电解质(QSGPEs)是最先进的电解质,具有高离子传导性、柔性和抗传统液态电解质泄漏的问题。然而,基于传统聚乙烯醇(PVA)-KOH电解质的QSGPE的环境稳定性低,耐碱性差,会导致电池循环寿命较短,难以满足应用需求。

近日,天津大学胡文彬教授钟澄教授浙江大学陆俊教授设计了一种磺酸盐功能化的纳米复合QSGPE(命名为nano-SFQ),并将其应用于FAZABs,其具有高离子导电性、强耐碱性和优良的锌稳定性,显示了在该领域打破聚合物电解质循环寿命瓶颈的巨大潜力。值得注意的是,(1)QSGPEs的强阴离子磺酸盐基团的存在,有助于暴露首选的锌(002)平面,这对锌枝晶的形成更有抵抗力;(2)纳米凹凸棒电解质添加剂,有利于提高离子导电性、电解质的吸收和保留能力,这使得制备的FAZAB具有450小时的超长循环寿命。此外,用几个FAZAB的串联/并联单元制作的柔性能量带和可编织的能量线可用于为各种可穿戴电子设备供电。

文章要点:

1. 与常用的具有差电解质保持能力和循环稳定性的PVA-KOH电解质相比,这项工作开发了一种新型的磺酸盐功能化纳米复合QSGPE,其具有高离子传导性、强耐碱性和高锌负极稳定性,可应用于FAZABs。

2. 强阴离子磺酸盐基团的存在有助于暴露首选的Zn(002)平面,据报道,该平面更耐树枝状结晶的形成。此外,纳米凹凸棒被用作聚合物电解质添加剂,以提高离子导电性、电解质吸收和保留能力。

3. 令人振奋的是,该研究中产生的nano-SFQ在使用前可以很容易地放在保鲜袋中处理,而且在组装电池时只需要在电解液中浸泡一段时间,这为未来的电池制造带来了新的曙光。

4. 由于上述协同效应,所获得的nano-SFQ显示出186 mS cm-1的高离子电导率,约850 wt.%的高电解质吸收率,以及电解质保持能力(一周后保持其重量的>90 wt.%)。此外,利用nano-SFQ制造的FAZAB表现出450小时的超长循环时间。最后,由几个夹层/导线结构的FAZAB串联/并联单元组装的能量带或导线可以集成到各种电子产品中(如血压计、夜跑臂带、柔性发光二极管屏幕、手表等),作为可穿戴条件下高度可靠的能量来源。

图1 nano-SFQ的制备及图像

图2 nano-SFQ的材料表征

图3 基于nano-SFQ的FAZAB的电化学性能

图4 柔性应用研究

原文链接:
https://doi.org/10.1002/adma.202209290

来源:高分子科学前沿

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