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河工大李晶晶博士与郑州轻大刘春森教授团队制造出了全向可拉伸锌-空气电池

来源:高分子科学前沿|

发表时间:2022-05-16

点击:4038

下一代皮肤可穿戴设备的研发需要高度可拉伸性的材料来适应人体皮肤的弯曲和张力。然而,赋予传统刚性电子器件高拉伸性在技术上比实现简单的柔性形变(如弯曲,折叠,打结等)更具挑战性。目前,通过微/纳尺度的工程化策略所构筑的可拉伸电极通常具有高度复杂的几何形状(如波形、多孔结构、折叠、纤维结构等),因而只能实现单轴拉伸,并且机械性能和电化学稳定性较差,尤其无法承受极端的机械和环境挑战,这给设备集成和器件的下一代皮肤应用带来了困难,因此开发具有出色的全向高拉伸性能的能源存储器件目前仍是一个重大挑战。有鉴于此,河南工业大学李晶晶博士/郑州轻工业大学刘春森教授团队通过独特的鸟苷凝胶基同源材料的构筑策略,成功制造出了具有高效电化学性能和极端环境适应性的全向可拉伸锌-空气电池(ZAB)(图1)。这项工作为未来皮肤可穿戴应用的全方位可拉伸和高性能储能设备的设计提供了一种有前景的策略。


图1 通过协同活性材料和器件工程化设计策略构筑全向可拉伸锌空气电池。


文章主要创新点:


(1)在活性材料设计方面,该团队利用鸟苷基超分子水凝胶独特的分级多孔结构和金属配位作用,将其自模板转化,衍生出了一种含有NiFe合金纳米粒子的高效电催化剂。该催化剂表现出出色的双功能特性,其氧还原/析出反应(ORR/OER)可逆过电势仅为0.68 V(图2)。


(2)在器件化构筑方面,该团队利用课题组前期合成的一种具有高拉伸性和超高导电性的鸟苷基水凝胶(Energy Environ. Sci.2021, 14,4451–4462.)作为半固态电解质,并同时将其作为电极粘结剂,在3M柔性基底上构筑具有本征拉伸性的柔性电极(图3)。鸟苷基超分子凝胶同时作为电催化剂前驱体,半固态电解质和电极粘结剂的设计策略,保证了电池不同组件之间优异的界面粘结性以及导电性。这使得ZAB即使在广泛的机械变形过程中依然保持高度稳定的导电性界面。


(3)获得的ZAB展现出优异的全向拉伸性,具有超过1000%的面积应变。原位动态实时(real-time)监测表明,ZAB在反复拉伸-释放过程中可以保持稳定的电化学信号输出。此外,目标ZAB表现出优异的机械性能和电化学稳定性,能够承受苛刻的机械和环境挑战,如经历超过10000次拉伸循环,在没有任何额外预处理的情况下,ZAB具有出色的超低温耐受性(低至-60 °C)和出色的防水性,可承受连续的水冲洗(>5小时)和浸泡(>3小时)(图4)。


这项工作提出了一种涉及活性材料设计和设备工程的组合策略,成功开发出一种高性能、全方位可拉伸、防水和耐低温的软材料平台,有望用于未来的皮肤可穿戴应用研发。李晶晶博士和刘春森教授团队近年来一直致力于纳米结构化超分子-聚合物凝胶软材料的设计构筑及其器件化研究(Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202114471;Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 18768–18773;Energy Environ. Sci. 2021, 14,4451–4462;Adv. Funct. Mater. 2021, 2104963;Appl. Catal. B Environ. 2021, 286, 119888;Mater. Horiz. 2021, 8, 2520–2532;Mater. Horiz. 2022, DOI 10.1039D2MH00156J等),郑州轻工业大学硕士生刘军鹏王梦珂为本文(Advanced Science 2022202200753)的共同作者。


图2 高效双功能电催化剂的制备和表征。


图3 ZAB的全向高拉伸性能和电化学性能。


图4 ZAB在极端环境条件下的性能展示。


封面图源自于图虫创意


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