UCL《先进材料`综述》从实验室研究到商业化的柔性锌离子水凝胶电池见解

【科研摘要】

由于水性可充电锌离子电池（ ZIB）的发展，柔性ZIB被视为为可穿戴电子设备供电的潜在候选者。 带有固态聚合物电解质的ZIB不仅可以保持额外的承重性能，而且还可以通过防止枝晶形成和抑制阴极溶解而表现出增强的电化学性能。通过开发固体聚合物电解质，水凝胶聚合物电解质和杂化聚合物电解质，已经对聚合物电解质进行了大量的努力。然而，用于ZIBs的聚合物电解质的研究仍不成熟。

最近， 伦敦大学学院 Guanjie He 博士 和 Ivan P. Parkin 教授 团队 对 聚合物电解质的 最新进展按柔性ZIBs的类别进行了总结 ， 尤其是水凝胶电解质， 包括其合成和表征。为了提供从实验室研究到商业化的见解，相关挑战，设备 配置和生命周期分析得到了巩固。作为柔性电池，迄今为止开发的大多数聚合物电解质仅强调电化学性能，但是几乎没有考虑机械行为以及与电极材料的相互作用。 因此，讨论了将柔软性和强度相结合以及与电极集成的策略以用于柔性 ZIB。介绍了一种结合了电化学和机械性能的等级指数。还涵盖了未来的研究方向，以指导有关灵活ZIBs商业化的研究。 相关论文以题为 Insights on Flexible Zinc‐Ion Batteries from Lab Research to Commercialization 发表在《Advanced Materials》上。

【主图】

图1 a）水溶液中锌阳极的Pourbaix图。b）Zn /δ-MnO2电池的Zn 2+ 插入/提取机理示意图。c）Zn/V 2 O 5 电池的Zn 2+ 插入/提取机理示意图。d）普鲁士蓝类似物CoFe（CN） 6 的Zn 2+ 嵌入/去嵌入机理的图示。e）Zn 2+ /H + 在有机阴极材料对氯苯醌中的水辅助相转移机理示意图。

图2 a）用于RZIBs的聚合物电解质的发展历史。b）水性电解质，固体聚合物电解质，原始水凝胶电解质和混合电解质多角度比较的雷达图。c）关于抗张强度的经验值的最新报道的聚合物电解质的总结。

图3 a）黄原胶聚合物电解质的表征。i）黄原胶聚合物电解质的SEM图像。ii）恒电流放电曲线的速率分别为1至10C。iii）循环后水和水凝胶电解质的锌阳极的SEM图像。

图4 a）同轴纤维水性锌离子电池（CARZIBs）的CMC水凝胶电解质的特性。i）覆盖CNTF上的Zn纳米片阵列表面的ZnSO 4 -CMC凝胶电解质的SEM图像。ii）在不同弯曲角度下，电流密度为0.1 A cm -3 时，CARZIBs的充放电曲线。iii）充满电的CARZIB在90°弯曲下照亮的红色LED的照片。

图5 a）淀粉基质电解质膜的制备方法和淀粉基质的分子结构表征。b）淀粉/ PAM聚合物电解质的表征。i）制备淀粉/ PAM聚合物电解质的示意图；ii）EIS光谱；iii）评价绩效。

图6 a）明胶基聚合物电解质的表征。i）明胶聚合物电解质的SEM图像；ii）在不同电流密度下满电池的循环性能；iii）为LED闪烁灯供电的串联式固态电池的损坏测试。

图7 PAM聚合物电解质的表征。

图8 基于 PVA的聚合物电解质的表征。

图9 ZIBs的PANa电解质的表征。

图 10 a）通过引入热可逆的Pluronic水凝胶电解质（PHE）来实现冷却-恢复功能。b）在不同温度下40％（w/w）PHE和相应的聚合物链构型（插入）的照片。c）变形和恢复下的电化学表征。

图 11 a）HPE合成路线的示意图。分层结构的HPE是通过将PAM接枝到明胶链上而合成的，明胶链通过便捷的自由基聚合方法填充在PAN电纺纤维膜的网络中。b）HPE胶片的光学图像。b）HPE膜的SEM图像。c）与明胶水凝胶电解质相比的HPE拉伸试验。d）固态可充电ZIB在不同破坏性测试中的电化学性能。

图 12 a）AF-gel电解质的设计原理。b）原始PAM和AF聚合物电解质的阻抗谱比较。

图 13 a）PNA电解质的表征。b）PNIPAM电解质的表征。

图1 4 使用 PAM水凝胶和涂有F77水凝胶皮肤电解质的PAM水凝胶对固态Zn/CoFe（CN）6电池的电化学性能比较

图 15 a）PVA/PAA聚合物电解质的表征。b）PVA/甘油聚合物电解质的表征。

图1 6 a）三明治结构。b）电缆类型结构。c）通过涂层策略的电缆类型结构。

参考文献 ： doi.org/10.1002/adma.202007548

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