Adv. Funct. Mater.报道：可穿戴动力纺织品用于可缝制、编织和清洗的水系纤维-锌电池

【背景介绍】

基于纺织品的可穿戴电子设备的快速发展，对具有舒适性和耐用性的柔性、可拉伸和高性能电源提出了高要求。其中，纤维状的水系锌（Zn）基电池具有高比容量（825 mA h g^-1）、材料丰富、锌负极成本低等优点，作为可穿戴电子设备的一种能量存储技术而受到广泛关注。但是，功能性纤维的可制造性及其整合进纺织品中仍面临许多挑战。此外，缺乏高容量、稳定的正极材料进一步阻碍了纤维状水系Zn电池（AZBs）的发展。现有无机化合物具有昂贵或有毒的成分，违反了可持续和绿色发展的要求。虽然有机正极材料具有价格便宜、毒性低、结构设计合理等优点，但是其比容量和循环稳定性仍需要进一步提高。因此，开发具有高容量和良好的循环稳定性的低毒性、高安全性和低溶解度的有机材料仍面临挑战。

【成果简介】

近日，中国工程物理研究院的王斌研究员和程建丽博士（共同通讯作者）等人报道了一种同时利用富醌的聚多巴胺（PDA）作为有机氧化还原活性正极和碳基材上的纳米粘合剂的协同界面设计，开发出了可编织、可缝合和可洗涤的水系Zn电池（AZBs）型动力纤维。通过去除可溶性单体或低聚物,并提高醌基的比例，PDA聚合物作为AZBs中的有机氧化还原活性正极，可以提供较高的放电比容量（在50 mA g^-1时为372.3 mA h g^-1，和1000 mA g^-1时为100.5 mA h g^-1）、长期循环稳定性以及高容量保持率（在1700次循环后为80％，在3500次循环后为60％）。此外，通过将纤维电极直接用作缝纫机和织机的线来制备具有定制样式的动力纺织品。其中，缝合或机织的动力纺织品显示出稳定的电化学性能，即使在洗涤3 h后，也可以在不同的弯曲条件下为各种电子设备提供动力。总之，该工作为大规模生产高性能AZBs提供了巨大的潜力，可用于下一代可穿戴能量存储设备。研究成果以题为“Bioinspired Interface Design of Sewable, Weavable, and Washable Fiber Zinc Batteries for Wearable Power Textiles”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、涂覆PDA的碳纳米管纤维（PCNF）的制备与表征
（a）PCNF的合成过程和基于柔性AZBs的纺织品的制造过程示意图；

（b-c）在不同放大倍数下，PCNF的SEM图像；

（d）CNF和PCNF的FTIR光谱；

（e-h）在不同变形条件下，PCNF的高灵活性的照片；

（i）CNF和PCNF的应力-应变曲线。

图二、不同热处理下的PCNF电极的耐电解质溶解性和电化学性能
（a-b）将PCNF、PCNF-100、PCNF-200、PCNF-300、PCNF-350样品浸入72 h后，对新制的DA溶液和3 M Zn(CF₃SO₃)₂电解质溶液进行溶出度比较的照片和UV-vis光谱分析；

（c-d）电流密度为1000 mA g^-1时，比较电极的倍率性能和循环性能。

图三、PCNF-300电极的性能测试
（a）PCNF-300电极在0.2-1 mV s^-1间的各种扫描速率下的CV曲线；

（b）正极和分极峰值处log(i)和log(v)之间的线性拟合；

（c）在0.6 mV s^-1的扫描速率对电荷存储的电容和扩散控制贡献；

（d）在不同扫描速率下，电容和扩散控制过程的电容贡献；

（e）在不同电化学状态下，PCNF-300电极的异位FTIR表征；

（f）在不同电化学状态下，PCNF-300的O 1s的XPS光谱。

图四、基于纤维状AZBs的机织强力织物的性能
（a）缝纫机及其针迹示意图；

（b）电流密度为1000 mA g^-1时，在各种弯曲状态下的循环稳定性；

（c）缝制动力纺织品在电流密度为1000 mA g^-1且弯曲角度为180°时的长期循环稳定性；

（d）动力纺织品演示为商业温度计提供动力的数码照片；

（e-f）从左至右量身定制“叉指电极”的动力纺织品图案；

（g）编织电池组合到毛衣中，并作为变形状态不同LED波段供电的电源；

（h）在洗涤3 h前后，演示动力纺织品为温湿度计供电。

【小结】

综上所述，作者同时展示了富醌PDA作为有机氧化还原活性正极和纳米结合剂在可穿戴Zn电池碳基上的界面设计。通过去除可溶性杂质和提高活性醌基团比例，大大提高优化后的PDA衍生物材料的Zn²⁺储存能力。所制备的功率纤维在50 mA g^-1时显示出372.3 mA h g^-1的高比容量，并具有出色的循环稳定性，在1000 mA g^-1时经过1700次循环后，容量保持率仍可达到80％。通过使用商业编织机和织机将柔性纤维电极缝制到织物中，可以直接制备具有定制样式的功能纺织品作为导电碳基材。动力纺织品具有稳定的功率输出，无论是在不同条件下的弯曲还是清洗后都可为各种电子设备供电。基于PDA的电源适配器对商用机器的适应性使其有可能实现大规模生产和商业应用。总之，可编织、缝合和洗涤的功率纤维和纺织品的制造有望将可穿戴能量存储装置潜在地应用于实际的可穿戴电子设备中。

文献链接：Bioinspired Interface Design of Sewable, Weavable, and Washable Fiber Zinc Batteries for Wearable Power Textiles（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202004430）

本文由CQR编译。

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