香港城市大学支春义Adv. Energy Mater.：基于耐碱，双网水凝胶电解质的超伸缩锌-空气电池

【引言】

虽然已有很多伸缩的超级电容器和电池的报道，但超伸缩锌-空气电池的开发仍然是一个挑战。锌-空气电池的理论能量密度高达1086 Wh∙kg^-1，远高于商用锂离子电池，有望用于下一代长效电力系统。此外，组装锌-空气电池的过程不需要无水和无氧环境，这有利于低成本扩大规模。因此，开发具有可伸缩和可编织的锌-空气电池作为用于各种柔性/可穿戴设备的动力单元将具有很大的吸引力。开发超伸缩锌-空气电池的难点在于，必须使用强碱性电解液（6 M KOH）才能获得相当大的功率密度。另一方面，可伸缩储能装置的重要组成部分的超可伸缩水凝胶在如此强的碱性环境下会失去其可伸缩性。因此，缺乏具有高伸缩性和优异离子输运能力的耐碱性水凝胶电解质是制备超伸缩性锌-空气电池，并提高其可可穿戴性的关键挑战。

【成果简介】

近日，在香港城市大学支春义教授团队（通讯作者）首次设计开发了超伸缩、扁平状（800％可拉伸）和纤维状（500％可拉伸）的耐碱性双网络水凝胶电解质的锌-空气电池。在双网络水凝胶电解质中，聚丙烯酸钠（PANa）链有助于形成软区域，被羟基中和的羧基以及作为氢氧化钾稳定剂的纤维素负责增强的碱性耐受性。获得的超伸缩扁平状锌-空气电池具有108.6mW·cm^-2的高功率密度，拉伸800％后增加到210.5mW·cm^-2。在500％可拉伸的纤维状电池上也观察到类似的现象。该装置即使在发生严重变形后也能保持稳定的输出功率，这得益于所开发的高度柔软，耐碱的水凝胶电解质。还展示了可弯曲的电池显示系统和防水可穿戴纤维锌-空气电池。这项工作将促进使用锌-空气电池供电柔性电子产品和智能服装的进展。此外，所开发的耐碱性超伸缩电解质也可以应用于许多其他碱性电解质的能量存储/转换装置。相关成果以题为“Super-Stretchable Zin-Air Batteries Based on an Alkaline-Tolerant Dual-Network Hydrogel Electrolyte”发表在了Adv. Energy Mater.上。

【图文导读】

图1 PANa-纤维素水凝胶电解质的合成方法

a）使用MBAA（交联剂），丙烯酸酯（AA，主要单体）和纤维素（增强剂）的 PANa-纤维素双网络水凝胶电解质的合成方法。

b）冷冻干燥的PANa，纤维素和PANa-纤维素水凝胶的FT-IR光谱。

c）合成的PANa和PANa-纤维素水凝胶电解质的AC阻抗。插图是由（c）计算的PANa和PANa-纤维素水凝胶电解质的离子电导率。

d）冷冻干燥的PANa-纤维素水凝胶的横截面的SEM图像。

图2 PANa -纤维素水凝胶电解质的机械性能测试

a）添加和不添加300% 6 M KOH + 0.2 M Zn(CH₃COO)₂合成的PANa和PANa-纤维素水凝胶电解质的拉伸应力与应变曲线。插图是300% 6 M KOH + 0.2 M Zn(CH₃COO)₂溶液与PANa-纤维素水凝胶电解质混合后的松弛和伸长状态的光学照片，显示出优异的拉伸性能。

b）在碱性条件下比较PAA、PAM、PANa和PANa-纤维素水凝胶的拉伸性能。插图是PAA、PAM、PANa和PANa-纤维素水凝胶的初始状态和浸泡300％6 M KOH溶液8小时后的照片。红色和蓝色矩形表示水凝胶浸润碱性溶液前后的形状。

c）不同水凝胶电解质的碱耐受能力的比较。

d）含有不同浓度KOH溶液的PANa-纤维素水凝胶电解质的极限强度和最大伸长率。

e）含有300％ 6 M KOH溶液的PANa-纤维素水凝胶电解质在不同的碱性腐蚀时间后的极限强度和最大延伸率。

f）超拉伸性机理的示意图。

g）PANa -纤维素水凝胶电解质通过氢键相互作用俘获KOH和水的结构示意图。

图3 扁平状锌-空气电池的电化学性能测试

a）800%可拉伸扁平状锌-空气电池示意图。

b, c）应变为0-800%的超拉伸扁平状锌-空气电池的（b）极化曲线和（c）相应功率密度曲线。

d）最大功率密度vs. 拉伸应变图。插图是扁平状锌-空气电池在完全释放状态和800%应变的照片。

e）在5mA·cm^-2的电流密度下的恒电流充放电循环曲线。

f）在不同拉伸应变下的相应的放电-充电电压平台。

g）在5mA·cm^-2的电流密度下的恒流充放电循环性能。

h-k）扁平状锌-空气电池依次经受不同的机械变形并且（l）被释放。

m）在（h-k）连续变形前后的扁平状锌-空气电池的极化曲线。

n）集成电池发光面板系统的光学照片：经过各种机械变形折磨后，两个串联电池连接在电致发光面板的背面，初始和弯曲条件下形成一个灵活的电池显示系统（尺寸：18×5cm）。

图4 纤维状锌-空气电池的电化学性能测试

a）500％可拉伸的纤维状锌-空气电池的示意图。

b）不同变形状态下，纤维状锌-空气电池的最大功率密度。插图是不同变形状态下，纤维状锌-空气电池的照片。

c）不同变形状态下，纤维状锌-空气电池的极化曲线。

d, e）PANa -纤维素水凝胶电解质在完全释放状态和500%拉伸应变下，纤维状超伸缩性锌-空气电池的（d）极化曲线和（e）相应功率密度曲线。

f）最大功率密度vs. 拉伸应变图。

g）在5mA·cm^-2的电流密度，500％的应变下条件下，纤维状锌-空气电池的循环测试。插图是完全释放状态和500％应变的纤维状锌-空气电池的照片。

h）纤维状锌-空气电池浸水前后的极化曲线。插图是一种纤维状的锌-空气电池，部分浸在水中为电动手表供电。

i）纤维形状的锌-空气电池被编织成腕带，为智能手表供电的图片。插图分别是从正面和背面拍摄的照片。

【小结】

大多数水凝胶在加入强碱溶液后会失去其伸缩性，这使得开发超伸缩性锌-空气电池成为一项挑战。在这项工作中，首先开发了一种耐碱性和超拉伸的双网络水凝胶电解质，该电解质由纤维素链和MBAA锚交联的PANa水凝胶组成。即使含有300％（相对于水凝胶的重量）6 M KOH水溶液，水凝胶电解质也可以容易地拉伸至1200％。将纤维素引入PANa网络极大地增强了其机械强度、碱性吸收能力和离子传导性，这些都有利于可拉伸器件的制备。随后，使用耐碱性超伸缩PANa-cellulous双网络水凝胶开发了具有扁平状（800％可拉伸）和纤维状（500％可拉伸）结构的超伸缩和柔性锌-空气电池。即使在拉伸至800％（扁平）和500％（纤维状）应变后，锌-空气电池仍提供稳定的输出功率和增强的容量。团队还展示了该设备的柔软性、耐用性、防水性和可织性。其工作代表了可拉伸储能/转换设备在提高其机械耐久性和可靠性方面的坚实进展。所开发的耐碱性强的水凝胶电解质也可应用于许多需要强碱作为电解质的柔性/可拉伸装置。

文献链接：Super-Stretchable Zinc–Air Batteries Based on an Alkaline-Tolerant Dual-Network Hydrogel Electrolyte（Adv. Energy Mater., 2019, DOI:10.1002/aenm.201803046）

本文由材料人编辑部学术组木文韬翻译，香港城市大学支春义教授修正供稿，材料牛整理编辑。

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