Advanced Functional Materials:生物仿生界面设计助力可缝纫、编织、洗涤的纤维锌电池及电源织物

柔性可穿戴设备的快速发展,推动了高性能、高安全性的柔性储能器件的发展需求。传统的电化学储能器件例如锂离子电池使用有毒有害易燃的有机电解液,存在很大的安全隐患。相比之下,新型的纤维状水系锌电池(AZBs)不仅柔性高、成本更低、比容量较高,而且安全无毒,对柔性储能设备来说不失为一个更佳的选择。

尽管纤维状锌电池具有许多突出的优点,但是现阶段纤维状AZBs的制备大多依赖实验室手工制备,还无法实现规模化地生产。其主要的瓶颈在于缺乏高柔韧性、耐剪切、高容量的纤维电极。由于在机械生产加工的过程中,纤维电极会承受较高的剪切力和拉力等外力作用,容易造成活性物质的脱落从而导致储能器件的功能失效。因此,开发出具有高电化学性能同时又能与纤维基底之间存在高强度界面作用的电极材料是实现纤维状AZBs规模化应用的关键之一。

近期,中国工程物理研究院化工材料研究所的王斌和程建丽研究员,利用具有强粘附性和氧化还原活性的生物仿生材料–聚多巴胺(PDA),通过协同界面作用,将PDA同时作为有机电极材料和纳米结合剂锚定到碳纳米管纤维表面,开发出具有大容量、高柔性和长耐久性的可编织、可缝纫、可洗涤的AZBs-基纤维电极(PCNF)和织物型能源器件。通过去除可溶性杂质和提高活性醌基团比例,优化后的PDA衍生物材料,其Zn2+储存能力大大提高。所制备的纤维电源在50 mA g -1的电流密度下,具有372.3 mAh g -1的比容量和出色的循环稳定性,在1000 mA g -1的电流密度下,经过1700次循环后其容量保持率为80%。此外,由于PDA与导电碳基底优异的粘合性能,可以使用商用编织机和缝纫机将柔性纤维电极缝制成电源织物,制备出定制样式的织物型能源器件,无论是在不同弯曲条件下还是经过洗涤后都具有稳定的功率输出,可以为各种电子设备供电。(论文的第一作为硕士生王长凤,通讯作者为王斌和程建丽研究员)。 研究者认为,通过生物活性分子的固定以构建仿生功能化界面,可以极大的加强有机电极材料和柔性基底的界面作用力,有效解决纤维电极在高的剪切力和拉力等外力作用下造成活性物质的脱落从而导致储能器件的功能失效问题。为开发出可编织、可缝纫、可洗涤的高性能纤维状锌电池电极和织物型能源器件,实现柔性储能设备的规模化生产以及应用,提出了一定的解决思路。相关结果发表在Advanced Functional Materials上(Bioinspired Interface Design of Sewable, Weavable, and Washable Fiber Zinc Batteries for Wearable Power Textiles,DOI:10.1002/adfm.202004430)。