可缝纫的纳米纤维素/聚丙烯酰胺水凝胶电解质:提升柔性水系锌锰电池剪切阻力的新思路


近年来,对柔性可穿戴储能器件的需求日益增长。如何提高他们对各种机械应力的容忍度一直是个关键问题。弯曲、拉伸或扭转被广泛应用在柔性电池测试上。但是,当电池被拉伸,弯曲和扭曲时,不可避免会产生剪切应力。不幸地是,到目前为止,针对固态电池的剪切应力阻抗分析以及如何提高剪切力容忍度一直没有相关研究和报道。针对柔性可充电电池而言,他们通常有以下几个部分构成,集流体,负极,正极和固态电解质(隔膜)。柔性电池一般是按照三明治结构组装而成,固体电解质夹在正负极中间。而每个部分的接触以及固体电解质的低导离子率一直是个问题。针对此问题有以下解决方案,可设计一种含水量高,离子迁移孔道大,且有一定机械强度和高粘附力的水凝胶。在此基础上,可利用一些外加方法,如缝纫技术来提高抗剪切能力。

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近日,香港城市大学的支春义教授课题组制备了一种可缝纫的柔性Zn-MnO2电池。其所用电解质采用纳米纤维素形成的三维结构作为骨架,聚丙烯酰胺作为填充物,利用聚丙烯酰胺高的吸水性可拓宽所得水凝胶的孔洞,加上纤维素长链和聚丙烯酰胺长链之间的缠绕作用,以及两者表面的官能团形成的氢键作用,进而可以得到具有高导离子率和高强度的凝胶电解质。利用此水凝胶作为电解质,其导锌离子率可高达22.8 mS cm-1。而组装的Zn-MnO2电池在4C (1C=0.308A g-1)的测试条件下,在循环1000圈以后,放电容量可保持在初始容量的88.3%,500圈以后,平均放电容量仍有190 mAh g-1。将组装的柔性电池用于缝纫测试,结果显示,即使缝纫针数高达120针,放电容量仍可保留原始的88.5%,而开路电压变化不明显,依然能够点亮电子表。通过对未缝纫的电池和经过缝纫处理的电池进行抗剪切力测试,结果说明缝纫可以明显提高剪切力容忍度。


未缝纫加工的电池,随着剪切力的增加,容量呈现线性减小,在30 N的剪切力下,负极完全跟电解质层分离。然后,缝纫后的电池,在30 N以内的剪切力下,电池性能变化并不明显,说明了缝纫确实能够改善抗剪切力的能力,在一定的机械应力下能够保持电池的良好性能。这是首次通过构筑可缝纫电池并结合缝纫技术实现柔性储能器件剪切力容忍度的重大提升。


该纳米纤维素/聚丙烯酰胺水凝胶不仅可以提升水性Zn-MnO2柔性电池的电化学性能,并且利用了其可缝纫的能力结合了缝纫技术为改善可穿戴柔性器件的剪切力容忍度提供了新思路。相关论文在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201803978)上。