Small methods:水凝胶电解质的协同化学和界面工程助力超耐久柔性锌空气电池

近年来柔性电子器件的飞速发展,迫切需要开发与之相兼容的高能量密度及安全性的柔性供能器件。在诸多潜在新兴储能技术中,柔性锌空气电池因其兼具高能量密度、环境友好、安全性高、价格低廉等优点,是应用于柔性电子器件的理想电源。不可否认的是,柔性锌空气电池在能量效率提升方面已经取得了巨大的进步。然而,最终的可穿戴应用设备不仅要求可兼容供能组件具有高能效,更重要的是,要具有织物水平的卓越机械变形能力,以确保可穿戴电子设备在日常使用中的稳定运行以及舒适性,美观性。经过多年的快速发展,柔性锌空气电池中的空气阴极、锌阳极、固态电解质等主要组件已经很容易实现柔性结构,从而实现了组装后锌空气电池的柔韧性。然而,通过将两个电极放置在界面粘附性差的固态电解质表面上来简单组装这些部件,通常会导致它们在重复机械形变下脱落,因为它们物理特性的固有差异会导致不可避免的应变失配,最终引起日常使用中的设备故障。

近日,安徽大学材料科学与工程学院胡海波教授和吴明在教授共同提出了一种简单高效的电极/电解质界面粘附增强策略:开发了一种由聚丙烯酸-Fe3+-壳聚糖(PAA-Fe3+-CS)聚合物主体与负载的NH4Cl-ZnCl2近中性电解质组成的水凝胶电解质。受Hofmeister效应的作用,引入PAA水凝胶骨架的CS分子束在近中性电解质中会发生沉淀和折叠,这可以有效增强水凝胶电解质在空气阴极和锌阳极上的界面粘附强度,实现它们之间可靠而牢固的结合。

图示:PAA-Fe3+-CS/NH4Cl水凝胶电解质对锌阳极和空气阴极的粘附增强机制及获得的柔性全固态锌空气电池循环性能测试。

研究人员首先合成了PAA-Fe3+-CS双网络水凝胶,将其直接夹在锌阳极和负载了双功能催化剂的空气阴极之间,随后直接浸泡于2.5 M NH4Cl和0.5 M ZnCl2的混合溶液中,以转变为水凝胶固态电解质。获得的近中性PAA-Fe3+-CS/NH4Cl-ZnCl2水凝胶固态电解质在空气阴极和锌阳极上均表现出显著增强的界面粘附强度,并促进了界面电荷转移动力学。更值得注意的是,由于近中性电解质的低腐蚀性,大大减轻了在连续催化过程中传统强碱性电解质对空气阴极催化剂和锌阳极造成的腐蚀问题。因此,基于具有低腐蚀性和强界面结合强度的PAA-Fe3+-CS/NH4Cl-ZnCl2 水凝胶固态电解质的组装而来的柔性锌空气电池,在开路电压、功率密度、倍率性能以及循环寿命方面均获得了显著提高。同时,与没有使用CS, 不产生Hofmeister效应的PAA-Fe3+/NH4Cl-ZnCl2 水凝胶固态电解质的柔性锌空气电池相比,PAA-CS-Fe3+/NH4Cl-ZnCl2水凝胶固态电解质与两个电极之间的高界面附着力同时使柔性锌空气电池具有更加优异的机械耐久性,在长达120 小时的连续充放电过程中允许超过360次的反复弯曲恢复形变,而不会降低电压效率。水凝胶电解质的协同化学和界面工程为优化柔性固态锌空气电池的循环和机械耐久性提供了一种简单且普适的策略,以进一步缩小现实与商业化需求之间的差距。

论文信息:

Synergetic Chemistry and Interface Engineering of Hydrogel Electrolyte to Strengthen Durability of Solid-State Zn–Air Batteries

Kun Tang, Jimin Fu, Mingzai Wu*, Tao Hua, Jun Liu, Li Song, Haibo Hu*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202101276

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202101276