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  可重復(fù)使用的水系鋅電池由于其卓越的安全性和低成本的特性，可作為下一代可穿戴能源存儲設(shè)備。近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的蒲雄課題組報道了一種以可脫嵌陰、陽離子的聚苯胺（PANI）為正極材料的高性能雙離子鋅電池。作者設(shè)計了一種兩性離子水凝膠電解質(zhì)，得益于兩性離子單體中帶電基團與反自由離子之間的強靜電相互作用，陰、陽離子能形成互不干擾的輸運通道。此外，作者通過調(diào)整水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的聚兩性離子含量來優(yōu)化離子電導(dǎo)率和力學(xué)性能。從電池性能來看，這種陰、陽離子傳輸通道為鋅金屬陽極帶來更加穩(wěn)定均勻的電鍍/剝離行為，同時促進了陰、陽離子在PANI正極中的脫嵌反應(yīng)。這些協(xié)同效應(yīng)使得Zn/PANI電池具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，在5 A g^-1電流密度下循環(huán)600次后，容量仍達102.5 mAh g^-1，容量保持率高達87.5%。此外，作者制備了固態(tài)的軟包電池，在彎折、針刺情況下仍能有效工作，體現(xiàn)出作為安全的柔性可穿戴儲能設(shè)備的應(yīng)用前景。相關(guān)研究工作以題為“High-performance dual-ion Zn batteries enabled by a polyzwitterionic hydrogel electrolyte with regulated anion/cation transport and suppressed Zn dendrite growth”發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊Journal of Materials Chemistry A（IF=12.73）上。文章共同一作是博士生李隆偉和碩士生張藍雙。

圖1、ZIS-PVA水凝膠的制備與表征。（a）雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備示意圖。（b）不同ZIS含量水凝膠的斷裂強度與離子電導(dǎo)率。（c）ZIS-PVA和PVA水凝膠的耐溶脹和抗失水對比。（d）ZIS-PVA和PVA水凝膠在不同浸泡時間后的對比照片。（e）ZIS-PVA和PVA水凝膠在不同浸泡時間后的離子電導(dǎo)率。（f）ZIS-PVA和PVA水凝膠的電化學(xué)穩(wěn)定窗口對比。（g）ZIS-PVA水凝膠凍干后的SEM形貌表征。

圖2、Zn/PANI雙離子電池反應(yīng)機制。（a）PANI正極在充放電過程中的反應(yīng)原理。PANI/CC正極中特征元素（b）Cl 2p，（c）F 1s，和（d）Zn 2p在不同階段的XPS圖譜。（e）ZIS-PVA水凝膠電解質(zhì)在Zn/PANI雙離子電池中的作用示意圖。 

圖3、Zn/Zn對稱電池性能。（a）以ZIS-PVA和PVA水凝膠為電解質(zhì)的對稱電池在不同電流密度下的極化電壓。（b）以ZIS-PVA和PVA水凝膠為電解質(zhì)的對稱電池在2.0 mA cm^-2電流密度下的電壓曲線。Zn電極在2.0 mA cm^-2電流密度下循環(huán)不同次數(shù)后的SEM形貌表征，（c和d）PVA水凝膠為電解質(zhì)分別循環(huán)5圈和30圈，（e和f）PVA水凝膠為電解質(zhì)分別循環(huán)5圈和30圈。Zn在不同電解質(zhì)（g）PVA，（h）ZIS-PVA中的沉積/剝離原理。

圖4、Zn/PANI紐扣電池電化學(xué)性能。（a）以ZIS-PVA和PVA水凝膠為電解質(zhì)的Zn/PANI電池的EIS譜圖，插圖為擬合等效電路圖。（b）Zn/ZIS-PVA/PANI電池在不同掃描速率下從0.5-1.5 V的CV曲線。（c）CV曲線中各氧化還原峰對應(yīng)的log（峰電流）與log（掃描速率）關(guān)系圖。（d）以ZIS-PVA和PVA水凝膠為電解質(zhì)的Zn/PANI電池的倍率性能對比。（e）Zn/ZIS-PVA/PANI電池在不同電流密度下從0.5-1.5 V的電壓-容量曲線。（f）Zn/ZIS-PVA/PANI電池在不同循環(huán)次數(shù)中從0.5-1.5 V的電壓-容量曲線。（g）以ZIS-PVA和PVA水凝膠為電解質(zhì)的Zn/PANI電池在5A g^-1電流密度下的循環(huán)性能。（h）本工作與已報道的一些水系新電池倍率性能對比。

圖5、Zn/PANI軟包電池性能。（a）軟包電池組裝示意圖。軟包電池為（b）商業(yè)電子手表和（c）80個并聯(lián)LED燈供電照片。軟包電池在1 A g^-1電流密度下，（d）不同彎折角度和（f）不同針刺次數(shù)下的循環(huán)性能。軟包電池在（e）彎折后為商業(yè)電子計算器供電以及在（g）針刺后為計步器供電的照片。

  論文信息：High-performance dual-ion Zn batteries enabled by a polyzwitterionic hydrogel electrolyte with regulated anion/cation transport and suppressed Zn dendrite growth

  Journal of Materials Chemistry A

  DOI: 10.1039/d1ta08127f

  Longwei Li#, Lanshuang Zhang#, Wenbin Guo, Caiyun Chang, Jing Wang, Zifeng Cong and Xiong Pu*

  https://doi.org/10.1039/d1ta08127f