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Angew. Chem. :一種具有強界面化學的仿生多功能水凝膠網絡用于無枝晶柔性鋅離子電池2024-12-04
柔性、高性能水系鋅離子電池(ZIBs)具有低成本、安全等優點,被認為是可穿戴電子產品中最有前途的儲能候選器件之一。然而,在循環過程中,電極/電解質界面容易發生不受控制的Zn枝晶生長和一系列副反應,導致庫侖效率低和Zn陽極的不可逆損失,從而導致器件失效。

水凝膠電解質具有顯著的柔性以及減輕鋅陽極副反應的明顯優勢,是代替液體電解質的最優選擇之一。然而,水凝膠電解質的機械性能和界面化學穩定性有待提高,這限制了它們在柔性ZIBs中的應用,這種影響在惡劣的機械應變下表現得尤為明顯。針對于提升水凝膠性能的眾多策略大都集中于增加其機械強度,關于電極/電解質界面化學的研究卻鮮有報道。

近日,貴州大學黃俊特聘教授、謝海波教授和南昌大學陳義旺教授報道了一種具有強界面化學的仿生多功能水凝膠網絡(PAM/trehalose),該水凝膠電解質通過網絡修復策略,具有優異的機械性能和粘附性能,實現了無枝晶和長壽命的柔性ZIBs。

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該工作首先對PAM/trehalose水凝膠的力學性能進行分析。拉伸試驗結果表明,經過海藻糖修飾后,水凝膠的力學強度和斷裂伸長率顯著提升,在多次循環拉伸和壓縮驗證了PAM/trehalose水凝膠在多次反復變形后依舊具備較好的恢復性能。同時,PAM/trehalose水凝膠與各種材料基底都具備優異的粘附性,較好的粘附性有助于實現快速且穩定的電荷傳遞。該水凝膠優異的力學性能和粘附性有助于提升柔性鋅離子電池在各種形變下的穩定性。

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隨后,一系列的Zn//Zn對稱電池和Zn//Cu非對稱電池被用于表征鋅陽極的長循環穩定性。得益于其強界面化學,使用PAM/trehalose凝膠電解質組裝不僅在紐扣電池中表現優異,在柔性對稱電池中依舊實現了更長的對鋅循環時長(在R=2 mm和R=6 mm下均超過500 h)。

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基于該網絡修復策略和強界面化學,組裝的Zn//MnO2紐扣電池在超大電流密度下展現出卓越的倍率性能和優異的長循環性能。所組裝的柔性Zn//MnO2袋狀電池即使在各種變形的極端條件下,依舊擁有極好的容量保持率。

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在該工作中,精心設計的PAM/trehalose水凝膠電解質組裝的ZIBs具有卓越的性能,包括高容量、高CE和穩定的循環能力,即使在惡劣的彎曲條件和彎曲時間下也是如此。這種具備強界面化學和網絡修復策略的水凝膠電解質可以為開發高效的柔性電池技術提供一條新的途徑。

文信息

A Bio-Inspired Multifunctional Hydrogel Network with Toughly Interfacial Chemistry for Dendrite-Free Flexible Zinc Ion Battery

Song Yang,?Qing Wu,?Yue Li,?Fusheng Luo,?Jinlong Zhang,?Kui Chen,?Yang You,?Prof. Jun Huang,?Prof. Haibo Xie,?Yiwang Chen

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202409160

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