Advanced Functional Materials:至柔至轻金属微网格助力多功能柔性储能器件

柔性储能器件作为智能可穿戴柔性电子的“心脏”得到日益广泛的关注和研究。其中,柔性电极作为柔性储能器件的核心部件,对柔性储能器件的综合性能起着至关重要的作用。然而,传统刚性金属箔存在机械柔韧性差、与电极材料界面粘附力弱的问题,不适合用作柔性集流体。碳布等织物集流体虽然具有优良的弯曲稳定性,但面临导电性差、非活性织物基底重量占比高等瓶颈问题,导致集成的储能器件倍率特性差和能量密度低。

针对上述问题,湖南大学机械与运载工程学院张冠华段辉高教授等人提出“多功能金属微网格柔性电极”的新思路,团队通过采用光刻与电化学加工相结合的方法制备了系列材质、形状、尺寸和厚度可精准控制的柔性超薄超轻金属微网格,金属网格的透光率(最高可达93%)和导电率(方阻小于1 Ω sq-1)可根据实际应用需求进行设计和调整。

近日,团队成员报道了一种基于自支撑超轻超薄柔性锌网格负极(厚度为8 μm,面密度为4.9 mg cm-2)的高比能锌离子电池。锌微网格展现出出色的可弯折特性、增强的机械强度和良好的界面浸润性。此外,COMSOL数值模拟和原位显微观测系统证实Zn微网格的有序阵列微孔结构具有定向诱导锌离子的空间选择性沉积功能,成功避免了锌枝晶的生长。因此,以锌微网负极和聚苯胺插层氧化钒正极构建的水系锌离子电池表现出优异的高倍特性(电流密度提升100倍后容量保留率达67.6%)和循环稳定性(在10.0 A/g下连续充放电1000次后容量保持率为87.6%)。组装的软包电池在不同的弯折状态下都表现出卓越的柔韧性和耐久性,该工作为柔性锌离子电池电极的轻量化设计和结构精准调控开辟了一种全新思路。相关研究结果以“Ultrathin and Ultralight Zn Micromesh Induced Spatial-Selection Deposition for Flexible High-Specific-Energy Zn-Ion Batteries”为题发表在Advanced Functional Materials期刊。博士研究生刘怀志与本科生李金昊为该工作的共同第一作者,通讯作者为张冠华副教授与段辉高教授。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106550

1-超轻超薄柔性高比能锌离子电池

在此基础上,团队通过将具有蜂窝状结构的透明超柔超轻3D镍金属微网格(3D NM)集流体与具有电致变色性能的高容量Ni-Co双金属氢氧化物(NiCo BH)集成到一起,开发了一种集储能和电致变色功能为一体的柔性智能变色器件。得益于新颖的金属网格微结构设计,3D NM@ NiCo BH电极具有良好的电子导电性和高比表面积,由3D NM NiCo BH组装而成的非对称电容器器件表现出优异的循环稳定性和机械耐久性,在各种柔性和可穿戴电子产品中具有极其广阔的应用前景。此外,非对称电容器还具有电量温馨提示功能,即通过墨绿(1.5 V)到棕色(0 V)的颜色变化来感应系统的电量变化,为下一代为柔性/可穿戴电子智能器件的发展提供了新的机遇。该工作以“Integrating Flexible Ultralight 3D Ni Micromesh Current Collector with NiCo Bimetallic Hydroxide for Smart Hybrid Supercapacitors”为题发表在Advanced Functional Materials期刊。

2-柔性智能电致变色器件

上述工作受到国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、长沙市科技局基金、湖南大学优秀青年人才培育计划、湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主研究课题等项目的支持。

论文信息:

Integrating Flexible Ultralight 3D Ni Micromesh Current Collector with NiCo Bimetallic Hydroxide for Smart Hybrid Supercapacitors

Guanhua Zhang, Jin Hu, Yan Nie, Yanli Zhao, Lei Wang, Yizhou Li, Huaizhi Liu, Lizhen Tang, Xianan Zhang, Du Li, Ling Sun, Huigao Duan*

Advanced Functional Materials

DOI:10.1002/adfm.202100290

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202100290