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《AFM》:生物仿生材料助力设计可编织、缝纫、洗涤的高容量柔性锌电池织物-岩拓气凝胶

《AFM》:生物仿生材料助力设计可编织、缝纫、洗涤的高容量柔性锌电池织物

《AFM》:生物仿生材料助力设计可编织、缝纫、洗涤的高容量柔性锌电池织物

柔性可穿戴设备的快速发展,推动了高性能、高安全性的柔性储能器件的发展需求。传统的电化学储能器件例如锂离子电池使用有毒有害易燃的有机电解液,存在很大的安全隐患。相比之下,新型的纤维状水系锌电池(AZBs)不仅柔性高、成本更低、比容量较高,而且安全无毒,对柔性储能设备来说不失为一个更佳的选择。

尽管纤维状锌电池具有许多突出的优点,但是现阶段纤维状AZBs的制备大多依赖实验室手工制备,还无法实现规模化地生产。其主要的瓶颈在于缺乏高柔韧性、耐剪切、高容量的纤维电极。由于在机械生产加工的过程中,纤维电极会承受较高的剪切力和拉力等外力作用,容易造成活性物质的脱落从而导致储能器件的功能失效。因此,开发出具有高电化学性能同时又能与纤维基底之间存在高强度界面作用的电极材料是实现纤维状AZBs规模化应用的关键之一。

近期,中国工程物理研究院化工材料研究所的王斌和程建丽研究员,利用具有强粘附性和氧化还原活性的生物仿生材料–聚多巴胺(PDA),通过协同界面作用,将PDA同时作为有机电极材料和纳米结合剂锚定到碳纳米管纤维表面,开发出具有大容量、高柔性和长耐久性的可编织、可缝纫、可洗涤的AZBs-基纤维电极(PCNF)和织物型能源器件。

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图1. 生物仿生材料PDA助力可编织、缝纫、洗涤的纤维状锌离子电池

 

聚多巴胺含有大量酚羟基(羰基),可以和金属离子结合,是具有氧化还原活性的生物分子类电极活性材料,被广泛应用于储能材料领域。但聚多巴胺(PDA)作为电池活性材料容量很低,限制了其在电池中的应用。研究者通过热处理去除PDA中可溶性杂质和提高活性官能团的比例,优化后的PDA在电解液中具有优异的稳定性。优化后的纤维电极PCNF在50 mA g-1的电流密度时,可提供372.3 mA h g-1的高比容量。以1000 mA g-1的电流密度循环时,在1700次循环之后仍具有80%的高容量保持率,3500次循环后还能够拥有60%的容量保持率。

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图2. 不同的热处理温度获得的电极(PCNF)的耐电解质溶解性和电化学性能

 

聚多巴胺沉积在碳材料基底上作为纤维电极,表现出优异的柔韧性和稳定性,可以通过缝制或编织的方法将纤维电极PCNF集成到织物中,制备与织物完全融合的柔性织物型能源器件。柔性织物型电池表现出优异的电化学性能,无论是在水中洗涤3小时,还是在不同条件下弯曲、缝合和编织,储能织物都能够保持稳定的电化学性能,为各种小型电子设备稳定供电。

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图3. 基于纤维状AZBs的能源织物的制备及其性能展示

 

研究的意义在于,利用界面协同优化作用,将PDA同时作为活性物质和纳米粘结剂沉积在柔性基底上,制备出高强度的柔性纤维电极,使其可以通过传统纺织行业的编织、缝纫的方法来制备定制化的储能织物,对于实现柔性储能设备的规模化生产以及应用,具有一定借鉴的意义。

 

全文链接:

Bioinspired Interface Design of Sewable, Weavable, and Washable Fiber Zinc Batteries for Wearable Power Textiles

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202004430

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