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  隨著便攜式電子產品的迅猛發(fā)展，開發(fā)能夠與之相匹配的高性能、低成本儲能器件迫在眉睫。同時，日益嚴重的環(huán)境污染問題促使人們不斷尋求更加清潔的能量轉化和儲存技術。近年來，水系鋅離子電池引起人們越來越多的關注。它成本低、安全性高、兼具高能量密度和高功率密度、可快速充放電等優(yōu)點，是最具競爭力的儲能器件之一。然而，目前常用的電極材料大多由人工合成，存在原料不可再生、制備工藝復雜、成本高、產量低等缺點。生物質材料相比于合成材料，具有來源豐富、成本低、可再生、可生物降解、環(huán)境友好等優(yōu)勢，利用生物質材料制備高性能儲能器件對于可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

  近日，四川大學高分子研究所、高分子材料工程國家重點實驗室盧燦輝教授團隊提出一種將漂浮在海面上的生物質垃圾轉化為高性能鋅錳電池的方法，并將所制備的鋅錳電池與柔性太陽能薄膜結合，集成為自供電可穿戴系統(tǒng)（如圖1所示）。利用生物質垃圾內部的“蜂窩狀”孔洞結構，碳化后得到3D多孔電極材料。電極材料內部的多級通道結構有利于提高電化學活性物質的負載量，同時也能促進電解質的擴散和離子的傳輸。制備的Zn-MnO₂電池具有優(yōu)異的儲能容量、良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，特別是使用安全性能十分出色，電池受多種外力破壞后仍可正常工作。通過進一步與柔性太陽能薄膜結合，構建了一種自供電能量棒，并驗證了該自供電系統(tǒng)在可穿戴和便攜式電子產品中的應用潛力。

圖1. 利用海洋漂浮垃圾制備鋅錳電池及自供電系統(tǒng)示意圖。

  研究對象海洋漂浮垃圾（OG）具有類似“蜂窩狀”的規(guī)整孔洞結構，高溫碳化后這一結構被很好保留。碳化后生物質垃圾（COG）的大孔孔洞尺寸主要分布在100~500 μm之間（圖2a），大孔周圍還分布有大量的微小孔洞，尺寸主要分布在1~5 μm之間。電沉積的Zn納米片（平均厚度約為60 nm）和水熱沉積的MnO₂（平均厚度約為20 nm）納米片均勻分布在通道的表面和內部。

圖2. 電極材料的微觀形貌。

  測試結果表明，電極材料內部的多級開放通道結構，有利于電解質擴散和離子轉移，使得該電極材料同時實現(xiàn)了電化學活性物質的高負載（51 mg/cm³）和高容量（306.7 mAh/g或15.1 mAh/cm³），以及良好的倍率性能（電流密度增大10倍，容量保持56.34%）和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（3000次循環(huán)充放電后仍能保持95.2%的容量）。

圖3. 水系COG@MnO₂//COG@Zn電池電化學性能。

  采用PVA/LiCl-ZnCl₂-MnSO₄凝膠作為電解質組裝的COG@MnO₂//COG@Zn準固態(tài)電池，能量密度高達20.5 mWh/cm³或420.1 Wh/kg，而且可以在非常寬的溫度范圍（-20~100℃）內安全工作，甚至受到一系列人為破壞（如穿刺、彎曲、錘擊、切割和剪切）后，電池依然可以正常工作，表現(xiàn)出非常優(yōu)秀的安全性能。

圖4：COG@MnO₂//COG@Zn準固態(tài)電池電化學性能及安全性。

  將該準固態(tài)鋅錳電池與柔性非晶硅太陽能薄膜相結合，首次集成制得一種新型“自供電能量棒”。該自供電能量棒可以在室外/室內不同的光照強度下高效實現(xiàn)能量的收集和儲存，并成功驅動可穿戴電子設備（手表和徽章）。

圖5. 利用準固態(tài)電池構建自供電可穿戴系統(tǒng)。

  目前，相關研究工作主要圍繞新型電化學活性物質的開發(fā)來提升鋅離子電池的電化學性能。而本研究利用生物質廢棄物自身特殊的多層次微觀結構獲得更優(yōu)的性能。該方法具有簡便、低成本、可大規(guī)模生產和應用等優(yōu)勢，為生物質廢棄物的高值化利用和低成本制備高性能儲能器件提供了新思路。

  該成果以“High-value utilization of biomass waste: from ocean floating garbage to high-performance rechargeable Zn-MnO₂ batteries with superior safety” 為題發(fā)表于國際知名期刊Journal of Materials Chemistry A（影響因子11.301；DOI：org/10.1039/D0TA05926A）

  論文第一作者為四川大學高分子研究所博士生趙江琦和碩士生鄔宛霖，張偉副教授和盧燦輝教授為本文共同通訊作者。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D0TA05926A