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香港城市大学支春义ACS Nano: 高性能防水可拉伸纤维状锌离子电池

随着科技的进步和人工智能技术的不断发展,以智能手表、智能眼镜、智能手环、可穿戴智能鞋垫等为代表的柔性可穿戴电子产品已经开始进入我们的生活,并成为未来电子产品的重要发展方向。这些柔性可穿戴设备的发展对储能器件这一必不可少的组件提出了更高的要求。而传统的电池或者电容器多为块状的和刚性的,存在体积大、不可弯曲、不可拉伸等缺点,已经不能满足柔性电子产品对高柔性、可穿戴性以及可加工性的要求。与传统的平面状能源器件相比,纤维状储能器件具有质量轻、柔性好、体积小、集成性更强等优势,更为独特的是它可以方便的与织物编织在一起,进行大规模、低成本制造,使其更适合柔性和可穿戴领域的应用。

近日,香港城市大学支春义教授团队在ACS Nano上发表了题为“Waterproof and Tailorable Elastic Rechargeable Yarn Zinc Ion Batteries by a Cross-Linked Polyacrylamide Electrolyte”的论文。该工作采用螺旋状的多股高导电碳纳米管纤维作为二氧化锰正极和锌负极的基底,有效地提高了电极在不同变形条件下的强度和柔韧性,显著改善了电极表面的电解质浸润性。再通过自由基聚合的方法制备了一种的高保水性、高耐盐性和高弹性的交联聚丙烯酰胺(PAM)电解质,包覆在电极和弹性纤维的表面,组装了一种可拉伸、可裁剪和防水性能优异的纤维状柔性锌离子电池所组装的纤维状电池放电比容量高达302.1mAh/g,体积比能量密度达53.8mWh/cm^3,并表现出出色的循环稳定性,经过500次充放电循环后仍保持最初容量的98.5%。此外,得益于柔性的电极和聚合物电解质设计和防水性的弹性硅胶涂层,该电池表现出超高的柔韧性、可拉伸性、可编织性和防水性能。作为应用展示,所制备的纤维状锌离子电池在裁剪编织之后还可以稳定的驱动商业化的LED灯带和柔性电致发光板,展现出巨大的应用前景。该工作为设计和开发下一代高性能、高安全性柔性储能器件提供了新思路,对柔性器件的开发和应用起到良好的的推动作用。

香港城市大学支春义ACS Nano: 高性能防水可拉伸纤维状锌离子电池

图1.  纤维状锌离子电池的制备和封装示意图。

香港城市大学支春义ACS Nano: 高性能防水可拉伸纤维状锌离子电池

图2.  纤维状电极的扫描电镜图。

香港城市大学支春义ACS Nano: 高性能防水可拉伸纤维状锌离子电池

图3.  交联聚丙烯酰胺电解质的制备和表征。

香港城市大学支春义ACS Nano: 高性能防水可拉伸纤维状锌离子电池

图4.  纤维状柔性锌离子电池的电化学性能。

香港城市大学支春义ACS Nano: 高性能防水可拉伸纤维状锌离子电池

图5.  纤维状柔性锌离子电池的可裁剪性及应用展示。

 参考文献:

H. Li, Z. Liu, G. Liang, Y. Huang, Y. Huang, M. Zhu, Z. Pei, Q. Xue, Z. Tang, Y. Wang, B. Li, C. Zhi. Waterproof and Tailorable Elastic Rechargeable Yarn Zinc Ion Batteries by a Cross-Linked Polyacrylamide Electrolyte. ACS Nano. 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b09003

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