Advanced Materials:长寿命高能量效率的柔性锌空气电池——基于含“反应调节剂”的高保水性凝胶电解质

随着现代社会柔性可穿戴设备的迅速发展,迫切需要相匹配的具有高能量密度,持久且高效的可充电电池。锌空气电池因其高理论能量密度,环境友好特性,低成本,较好的安全性等优势受到广泛的关注。研究学者在开发柔性固态锌空气电池方面取得了显著进步,但仍有几个关键问题严重阻碍了原型电池的实际应用。首先,目前的固态锌空气电池的使用寿命仍然受到严重限制。其次,由于氧还原/析出反应过高的过电位所导致的器件能量效率低是另一个紧迫的问题。

天津大学材料学院钟澄课题组针对以上问题,进行了深入的研究。通过制备具有高离子导电率、高保水性的聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)和氧化石墨烯(GO)共交联的的碱性聚合物凝胶电解质(PVAA-GO GPE),并引入反应调节剂碘化钾以显著提高锌空气电池的工作寿命和能量效率。相较于传统PVA凝胶电解质,PVAA–GO GPE由于组分之间多重的交联作用和高度亲水的特性,使电解质的保水性,离子传导性和机械柔韧性都得到了显著的改善。此外,电解质中I/IO3的转化沿热力学更有利的方向改变了常规氧析出(OER)反应的路径,从而将充电电位大幅降低至1.69 V,并将锌空气电池的能量效率提高到73%。由于减缓了电解质的失水,以及避免了空气电极在高电压充电下的性能退化,使制备的柔性锌空气电池具有200小时的使用寿命。利用该柔性电解质,可组装各类形态的柔性锌空气电池,诸如三明治结构和可编织的线性结构,并在柔性表环、柔性显示/柔性储能一体化器件,可编织器件等进行了实际的演示。

此项研究将为长寿命高能量效率的锌空气电池的研究提供新的思路,并为锌空气电池的产业化应用提供理论指导。相关结果发表于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201908127)。