AM：超長壽命，柔性鋅-空氣電池！

一、研究背景

在21世紀(jì)，全球可穿戴設(shè)備市場向前邁出了一大步，為人類生活質(zhì)量和便利性的提高創(chuàng)造了新的機(jī)遇?？纱┐髟O(shè)備的迅速發(fā)展趨勢極大地推動(dòng)了高速檔柔性電源的發(fā)展，其具有高安全性、環(huán)保性、高能量和功率輸出以及超長循環(huán)壽命。在此背景下，“超鋰電池”（如鋅基、鎂基和鋁基電池）是促進(jìn)鋅電池（具有本身安全水電解質(zhì)）開發(fā)的理想選擇，特別是在頻繁與人體密切接觸的情況下。其中，鋅電池以其高能量輸出、高安全性、低成本和環(huán)境友好性而聞名，這是因?yàn)殇\金屬的高比容量（820 mAh·g–1）、本質(zhì)安全性、自然豐富性和生態(tài)友好性，使其在先進(jìn)設(shè)備方面具有廣闊的前景。

柔性水性鋅-空氣電池（FAZABs）由于其高能量密度、安全性和環(huán)境友好性引起了研究者極大的興趣。典型FAZABs通常由聚合物電解質(zhì)制成，用作離子傳輸?shù)碾娊赓|(zhì)儲(chǔ)器和用于抑制內(nèi)部短路的分離器。聚合物電解質(zhì)的使用，還可以避免腐蝕性液體電解質(zhì)的泄漏問題，以滿足對(duì)安全性和靈活性的追求。然而，聚合物基鋅空氣電池也面臨以下挑戰(zhàn)：（1）聚合物電解質(zhì)的相對(duì)較低的離子電導(dǎo)率（與液體電解質(zhì)相比）將增加電池的歐姆損失；（2）獨(dú)特的半開式電池結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物電解質(zhì)的保水能力提出了巨大挑戰(zhàn)；（3）鋅陽極在循環(huán)過程中的穩(wěn)定性對(duì)鋅陽極與聚合物電解質(zhì)之間的界面穩(wěn)定性提出了要求。

準(zhǔn)固態(tài)凝膠聚合物電解質(zhì)（QSGPEs）被視為FAZABs的最先進(jìn)電解質(zhì)，因具有液體狀離子傳導(dǎo)特性和固體狀內(nèi)聚柔性，使其具備了高離子傳導(dǎo)性、高靈活性和抗傳統(tǒng)液體電解質(zhì)泄漏問題的能力。并且QSGPEs中有限的游離水可以緩解活性物質(zhì)的溶解。此外，利用QSGPEs作為粘合劑和分離器，有助于設(shè)備的完整性和簡化組裝過程。

QSGPEs由水溶性導(dǎo)電鹽溶脹的聚合物基體組成。常用的聚合物基體包括聚環(huán)氧乙烷（PEO）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酸酯鈉（PANa）、聚丙烯酰胺（PAM）等；此外，還有一些生物聚合物，包括纖維素、藻酸鹽、明膠、瓊脂糖等。這些聚合物用親水基團(tuán)（例如羧基、羥基、羰基和/或氨基）官能化，以通過氫鍵儲(chǔ)水。KOH由于其高離子電導(dǎo)率、高氧擴(kuò)散系數(shù)以及低粘度，被認(rèn)為是最常用的溶解鹽之一。迄今為止，F(xiàn)AZABs主要使用PVA–KOH QSGPEs制備，因其具有高化學(xué)穩(wěn)定性、低成本和制造工藝簡單等優(yōu)勢。然而，這種QSGPEs的環(huán)境穩(wěn)定性低、耐堿性差、電池循環(huán)壽命差（10～20 h）。

二、研究成果

鑒于此，天津大學(xué)胡文彬教授、鐘澄教授和浙江大學(xué)陸俊教授合作報(bào)道了一種新型的磺酸鹽官能化納米復(fù)合材料QSGPE被應(yīng)用于FAZABs中，具有高離子電導(dǎo)率、強(qiáng)堿性和高鋅陽極穩(wěn)定性。值得注意的是，（1）QSGPEs的強(qiáng)陰離子磺酸鹽基團(tuán)的存在，有助于暴露更耐鋅枝晶形成的優(yōu)選Zn（002）面，（2）將納米凹凸棒石用作電解質(zhì)添加劑，有利于增強(qiáng)離子導(dǎo)電性、電解質(zhì)吸收和保持能力，使制備的FAZAB具有450 h的超長循環(huán)壽命。

相關(guān)研究工作以“Functionalized Nanocomposite Gel Polymer Electrolyte with Strong Alkaline-Tolerance and High Zinc Anode Stability for Ultralong-Life Flexible Zinc–Air Batteries”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》上。

三、研究內(nèi)容

圖1. 納米SFQ制備示意圖（a）； PVA–KOH和納米SFQ在原始狀態(tài)下浸入不同濃度KOH溶液中的照片（b）。

圖2. 納米SFQ、SFQ和PVA–KOH的FTIR圖譜（a）；納米SFQ的C1s（b）和S2p（C）的XPS光譜；納米SFQ的FESEM和EDX圖（d）；PVA–KOH、SFQ和納米SFQ的電解質(zhì)吸收行為（e）、離子電導(dǎo)率（f）和電解質(zhì)保持能力（g）；PVA–KOH和納米SFQ暴露在空氣不同時(shí)間后的照片（h）。

圖3. 基于納米SFQ、SFQ和PVA–KOH QSGPE的FAZAB的電化學(xué)性能。在1 mA·cm–2時(shí)恒流放電–充電循環(huán)曲線，每個(gè)循環(huán)持續(xù)1h（a）；在不同電流密度（0.25、0.5、1、2、4和8 mA·cm–2）下的速率曲線（b）；恒電流放電曲線（c）；極化和相應(yīng)的功率密度曲線（d）；納米SFQ基FAZAB與先前報(bào)道的FAZAB的循環(huán)壽命的比較（e）。

圖4.基于納米SFQ、SFQ和PVA–KOH QSGPE的Zn–Zn對(duì)稱電池中，在1 mA·cm–2、0.5 mAh·cm–2下恒電流鍍鋅剝離（a）；使用納米SFQ（b）和PVA–KOH QSGPE（c）的循環(huán)鋅陽極的FESEM圖像；使用磺酸官能化QSGPE和商用鋅板的循環(huán)鋅陽極的XRD圖（d）;使用納米SFQ的循環(huán)鋅陽極的EBSD圖：取向映射（e）和反極圖（f）；鋅陽極（灰球）與PVA–KOH（g）和磺酸官能化QSGPE（h）之間界面的力學(xué)分析。

圖5. FAZAB的開路電位分布（a）；FAZAB在不同彎曲狀態(tài)下的恒流放電-電荷循環(huán)曲線（b）;連接的FAZAB為腕帶血壓監(jiān)測儀供電的照片（c–d），電話和連接電池系列的恒電流放電曲線（e），柔性燈帶臂章（f）;導(dǎo)線型FAZAB的配置示意圖（g）;不同彎曲角度下的FAZAB電線照片（h）以及相應(yīng)的恒電流放電-充電循環(huán)曲線（i）;可編織的FAZAB為可穿戴柔性發(fā)光二極管屏幕（j–k）和（l–m）手表供電的照片。

四、結(jié)論與展望

發(fā)展下一代可穿戴電子設(shè)備，一直是探索具有高能量密度和安全性的高性能柔性電源的強(qiáng)大推動(dòng)力，其中FAZABs是最有前途的能源設(shè)備之一。QSGPEs是FAZABs的最先進(jìn)電解質(zhì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高離子電導(dǎo)率和高柔性，具有高安全性，可抑制傳統(tǒng)液體電解質(zhì)的泄漏問題。

在本研究中，一種新型的磺酸鹽官能化納米復(fù)合材料QSGPE被首次應(yīng)用于FAZABs，具有高離子電導(dǎo)率、強(qiáng)堿耐受性和高鋅陽極穩(wěn)定性。此外，所獲得的QSGPEs的強(qiáng)陰離子磺酸鹽基團(tuán)有助于暴露優(yōu)選的Zn（002）平面，其更耐鋅枝晶形成。將納米凹凸棒石用作電解質(zhì)添加劑，有利于提高離子電導(dǎo)率、電解質(zhì)吸收和保持能力。所有這些步驟使制備的FAZAB具有450 h的超長循環(huán)壽命，比傳統(tǒng)的PVA–KOH QSGPE更長。并且由兩個(gè)和三個(gè)FAZABs串聯(lián)/并聯(lián)單元制造的柔性能量帶和可編織能量線，可用于為各種可穿戴電子設(shè)備供電。

審核編輯 ：李倩