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  伴隨著各種新型便攜式、可穿戴智能電子產(chǎn)品的興起，柔性電池的市場需求巨大。目前，市場主流的鋰離子電池因其鋰資源儲量有限、嚴重的安全隱患和高成本等問題，促使人們探索下一代具有產(chǎn)業(yè)化前景的高安全性、清潔可再生的儲能技術。因此，具有低成本、高安全性、高容量、易組裝等優(yōu)勢的柔性水系鋅離子電池（ZIBs）已成為當前柔性電池領域的研究熱點。柔性ZIBs通常采用半固態(tài)聚合物作為電解質(zhì)，其克服了液態(tài)電解液漏液的缺點并可同時起到隔膜和電解液的作用，然而聚合物電解質(zhì)仍存在機械強度差、離子電導率低等問題，這極大限制了柔性ZIBs的進一步發(fā)展。因此，為柔性ZIBs開發(fā)高機械強度、高離子電導率、熱化學穩(wěn)定性好、界面阻抗低的聚合物電解質(zhì)具有重要意義。

  鑒于此，東華大學材料科學與工程學院王宏志教授團隊報道了一種具有高機械強度、高離子電導率（28.8 mS cm^-1）、強離子吸附能力、界面阻抗低以及熱穩(wěn)定性良好的新型水凝膠電解質(zhì)，并將其應用于柔性ZIBs，實現(xiàn)了優(yōu)異的電化學性能和環(huán)境適應性。相關研究以“Stable Hydrogel Electrolytes for Flexible and Submarine-Use Zn-Ion Batteries”為題，在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上發(fā)表。

  近來，聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠電解質(zhì)得益于其含水量高、界面兼容性好的優(yōu)點，已被廣泛應用于柔性ZIBs，然而仍存在機械強度低、離子電導率低的缺點。因此，研究團隊采用PAM作為聚合物基體，引入綠色環(huán)保天然的聚合物黃原膠（XG）和棉花納米纖維素（CNF），加入無機鋅鹽，設計了一種PAM-XG接枝聚合物復合CNF雙網(wǎng)絡結構水凝膠電解質(zhì)（圖1）。其中，CNF具有親水性骨架和微孔網(wǎng)絡結構，能夠作為增強體來提高PAM水凝膠的機械強度和離子電導率；XG是一種結構復雜的胞外多糖，側鏈上富含的羥基、羧基能吸引相當數(shù)量的水分子，長碳鏈可以加強XG與水分子之間的相互作用，因此其可以提高PAM水凝膠的機械強度和離子電導率（圖2）。

圖1. （a）聚丙烯酰胺接枝黃原膠/棉花納米纖維素雙網(wǎng)絡結構水凝膠電解質(zhì)的制備流程示意圖，（b）化學結構，（c）實物照片。

圖2. （a）水凝膠孔道的掃描電鏡圖，（b）水凝膠紅外光譜表征，（c-e）水凝膠力學性能、粘附強度測試，（f）水凝膠電解質(zhì)離子電導率測試，（g）水凝膠拉伸、戳刺、粘性的實物照片。

  隨后，研究團隊將該水凝膠電解質(zhì)應用于柔性Zn-MnO₂電池（在導電碳布上刮涂MnO₂/CNT復合物電極漿料獲得柔性正極；在導電碳布上電化學沉積鋅獲得柔性負極），實現(xiàn)了高比容量（237 mA·h g^-1），優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性（1000次循環(huán)后容量保持率為86.2%），抑制枝晶生長以及嚴苛條件（彎曲、折疊、戳刺、水洗、浸泡）下的工作穩(wěn)定性（圖3）。

  令人印象深刻的是，基于這一種穩(wěn)定水凝膠電解質(zhì)的柔性ZIBs除了能夠為可穿戴設備（發(fā)光腕帶、運動手表）供電之外，還可用于水下預警救援系統(tǒng)中（圖4）。水下運動者在遇到危險時，可以通過按壓胸前柔性ZIBs供電的發(fā)射模塊，射頻電路發(fā)出的無線信號被水岸上的接收模塊獲取，隨即紅色LED警示燈發(fā)亮，提醒救援人員，這拓寬了柔性電池的實際應用。

圖3. （a-f）柔性水系鋅離子電池在嚴苛條件（彎曲、折疊、戳刺、水洗、浸泡）下的工作穩(wěn)定性測試，（g）電池在水下工作，（h）封裝電池在水下充放電循環(huán)測試。

圖4. （a-b）柔性水系鋅離子電池的可穿戴應用，（c-d）水下預警救援系統(tǒng)的應用。

  該工作為高性能、高安全性的柔性儲能器件的開發(fā)設計與應用場景提供了新思路。該研究工作的第一作者為東華大學王寶俊博士生，通訊作者為東華大學李耀剛、王宏志教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c12313