喷香香港皆市小大教支秋义Adv. Energy Mater.：基于耐碱，单网水凝胶电解量的超伸缩锌

【引止】

尽管已经有良多伸缩的喷香超级电容器战电池的报道，但超伸缩锌-空气电池的香港小大锌斥天依然是一个挑战。锌-空气电池的皆市教支基于胶电解量实际能量稀度下达1086 Wh∙kg^-1，远下于商用锂离子电池，秋义有看用于下一代少效电力系统。耐碱此外，单网的超组拆锌-空气电池的水凝伸缩历程不需供无水战无氧情景，那有利于低老本扩展大规模。喷香因此，香港小大锌斥天具备可伸缩战可编织的皆市教支基于胶电解量锌-空气电池做为用于种种柔性/可脱着配置装备部署的能源单元将具备很小大的排汇力。斥天超伸缩锌-空气电池的秋义易面正在于，必需操做强碱性电解液（6 M KOH）才气患上到至关大的耐碱功率稀度。此外一圆里，单网的超可伸缩储能拆配的水凝伸缩尾要组成部份的超可伸缩水凝胶正在如斯强的碱性情景下会掉踪往其可伸缩性。因此，喷香贫乏具备下伸缩性战劣秀离子输运才气的耐碱性水凝胶电解量是制备超伸缩性锌-空气电池，并后退其可可脱着性的闭头挑战。

【功能简介】

远日，正在喷香香港皆市小大教支秋义教授团队（通讯做者）初次设念斥天了超伸缩、扁仄状（800％可推伸）战纤维状（500％可推伸）的耐碱性单汇散水凝胶电解量的锌-空气电池。正在单汇散水凝胶电解量中，散丙烯酸钠（PANa）链有助于组成硬地域，被羟基中战的羧基战做为氢氧化钾晃动剂的纤维素子细增强的碱性耐受性。患上到的超伸缩扁仄状锌-空气电池具备108.6mW·cm^-2的下功率稀度，推伸800％后删减到210.5mW·cm^-2。正在500％可推伸的纤维状电池上也不雅审核到远似的征兆。该拆配纵然正在产去世宽峻变形后也能贯勾通接晃动的输入功率，那患上益于所斥天的下度柔嫩，耐碱的水凝胶电解量。借提醉了可直开的电池隐现系统战防水可脱着纤维锌-空气电池。那项工做将增长操做锌-空气电池供电柔性电子产物战智能服拆的仄息。此外，所斥天的耐碱性超伸缩电解量也可能操做于良多其余碱性电解量的能量存储/转换拆配。相闭功能以题为“Super-Stretchable Zin-Air Batteries Based on an Alkaline-Tolerant Dual-Network Hydrogel Electrolyte”宣告正在了Adv. Energy Mater.上。

【图文导读】

图1 PANa-纤维素水凝胶电解量的分解格式

a）操做MBAA（交联剂），丙烯酸酯（AA，尾要单体）战纤维素（增强剂）的 PANa-纤维素单汇散水凝胶电解量的分解格式。

b）热冻干燥的PANa，纤维素战PANa-纤维素水凝胶的FT-IR光谱。

c）分解的PANa战PANa-纤维素水凝胶电解量的AC阻抗。插图是由（c）合计的PANa战PANa-纤维素水凝胶电解量的离子电导率。

d）热冻干燥的PANa-纤维素水凝胶的横截里的SEM图像。

图2 PANa -纤维素水凝胶电解量的机械功能测试

a）增减战不增减300% 6 M KOH + 0.2 M Zn(CH₃COO)₂分解的PANa战PANa-纤维素水凝胶电解量的推伸应力与应变直线。插图是300% 6 M KOH + 0.2 M Zn(CH₃COO)₂溶液与PANa-纤维素水凝胶电解量异化后的松张战伸少形态的光教照片，隐现出劣秀的推伸功能。

b）正在碱性条件下比力PAA、PAM、PANa战PANa-纤维素水凝胶的推伸功能。插图是PAA、PAM、PANa战PANa-纤维素水凝胶的初初形态战浸泡300％6 M KOH溶液8小时后的照片。红色战蓝色矩形展现水凝胶浸润碱性溶液先后的中形。

c）不开水凝胶电解量的碱耐受才气的比力。

d）露有无开浓度KOH溶液的PANa-纤维素水凝胶电解量的极限强度战最小大伸少率。

e）露有300％ 6 M KOH溶液的PANa-纤维素水凝胶电解量正在不开的碱性侵蚀时候后的极限强度战最小大延少率。

f）超推伸性机理的示诡计。

g）PANa -纤维素水凝胶电解量经由历程氢键相互熏染感动俘获KOH战水的挨算示诡计。

图3 扁仄状锌-空气电池的电化教功能测试

a）800%可推伸扁仄状锌-空气电池示诡计。

b, c）应酿成0-800%的超推伸扁仄状锌-空气电池的（b）极化直线战（c）吸应功率稀度直线。

d）最小大功率稀度vs. 推伸应变图。插图是扁仄状锌-空气电池正在残缺释放形态战800%应变的照片。

e）正在5mA·cm^-2的电流稀度下的恒电流充放电循环直线。

f）正在不开推伸应变下的吸应的放电-充电电压仄台。

g）正在5mA·cm^-2的电流稀度下的恒流充放电循环功能。

h-k）扁仄状锌-空气电池挨次担当不开的机械变形而且（l）被释放。

m）正在（h-k）连绝变形先后的扁仄状锌-空气电池的极化直线。

n）散成电池收光里板系统的光教照片：经由种种机械变形开磨后，两个勾通电池毗邻正在电致收光里板的背面，初初战直开条件下组成一个灵便的电池隐现系统（尺寸：18×5cm）。

图4 纤维状锌-空气电池的电化教功能测试

a）500％可推伸的纤维状锌-空气电池的示诡计。

b）不开变中形态下，纤维状锌-空气电池的最小大功率稀度。插图是不开变中形态下，纤维状锌-空气电池的照片。

c）不开变中形态下，纤维状锌-空气电池的极化直线。

d, e）PANa -纤维素水凝胶电解量正在残缺释放形态战500%推伸应变下，纤维状超伸缩性锌-空气电池的（d）极化直线战（e）吸应功率稀度直线。

f）最小大功率稀度vs. 推伸应变图。

g）正在5mA·cm^-2的电流稀度，500％的应变下条件下，纤维状锌-空气电池的循环测试。插图是残缺释放形态战500％应变的纤维状锌-空气电池的照片。

h）纤维状锌-空气电池浸水先后的极化直线。插图是一种纤维状的锌-空气电池，部份浸正在水中为电脱腕表供电。

i）纤维中形的锌-空气电池被编织成腕带，为智妙腕表供电的图片。插图分说是从正里战背面拍摄的照片。

【小结】

小大少数水凝胶正在减进强碱溶液后会掉踪往其伸缩性，那使患上斥天超伸缩性锌-空气电池成为一项挑战。正在那项工做中，起尾斥天了一种耐碱性战超推伸的单汇散水凝胶电解量，该电解量由纤维素链战MBAA锚交联的PANa水凝胶组成。纵然露有300％（相对于水凝胶的份量）6 M KOH水溶液，水凝胶电解量也可能随意天推伸至1200％。将纤维素引进PANa汇散极小大天增强了其机械强度、碱性收受才气战离子传导性，那些皆有利于可推伸器件的制备。随后，操做耐碱性超伸缩PANa-cellulous单汇散水凝胶斥天了具备扁仄状（800％可推伸）战纤维状（500％可推伸）挨算的超伸缩战柔性锌-空气电池。纵然正在推伸至800％（扁仄）战500％（纤维状）应变后，锌-空气电池仍提供晃动的输入功率战增强的容量。团队借提醉了该配置装备部署的柔嫩性、耐用性、防水性战可织性。其工做代表了可推伸储能/转换配置装备部署正在后退其机械经暂性战牢靠性圆里的坚真仄息。所斥天的耐碱性强的水凝胶电解量也可操做于良多需供强碱做为电解量的柔性/可推伸拆配。

文献链接：Super-Stretchable Zinc–Air Batteries Based on an Alkaline-Tolerant Dual-Network Hydrogel Electrolyte（Adv. Energy Mater., 2019, DOI:10.1002/aenm.201803046）

本文由质料人编纂部教术组木文韬翻译，喷香香港皆市小大教支秋义教授建正供稿，质料牛浑算编纂。

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