西北工业大学赵阳《Small》：多级微裂纹结构电极实现高电压高倍率长寿命的柔性水系锌电池

2022-12-22 来源：高分子科技

随着柔性可穿戴电子设备在我们日常生活中起到越来越重要的作用，亟需开发具有高安全性、高柔性、高能量密度和长循环寿命的新型柔性储能器件。与采用易燃有机电解质的传统柔性电池相比，柔性水系电池采用不易燃的水系电解质，具有更高的安全性。其中，柔性水系锌电池具有理论比容量高、成本低、安全性高和制备工艺简单等优势，是可穿戴电子设备电源的良好候选者。然而，目前柔性水系锌电池仍存在工作电压低、倍率、循环稳定性较差等问题，严重制约了其发展和在可穿戴器件领域中的进一步应用。

近日，西北工业大学赵阳副教授团队报道了一种具有多级微裂纹结构的柔性复合电极材料，其具有独特的宏观微裂纹结构和微观多孔纳米花结构。多级微裂纹结构不但能够促进电解质的渗透和内部活性位点的有效暴露从而实现电荷的快速传输，而且能够有效缓解电极在形变时的应力集中，赋予复合电极优异的电化学性能和高的机械柔性。基于该电极所制备的柔性水锌电池具有高的工作电压平台和比容量(≈1.7 V, 258.9 mAh g^?1)，超高的倍率性能(在50 A g^?1的电流密度下比容量为135.8 mAh g^?1)和超长的循环寿命(在20000次循环充放电后容量保持率为74.6%)。此外，该柔性电池可承受3000次弯曲（容量保持率为93.1%），展现出优异的柔性，并可轻松编织成柔软的电子织物为智能手机供电。

该工作以“Constructing carbon nanotube hybrid fiber electrodes with unique hierarchical microcrack structure for high-voltage, ultrahigh-rate and ultralong-life flexible aqueous zinc batteries”为题在线发表在国际期刊《Small》上。文章通讯作者为西北工业大学赵阳副教授，通讯单位为西北工业大学。

图1. 具有多级微裂纹结构的柔性复合电极的结构和形貌表征

图2. 双金属磷化物/碳纳米管柔性复合电极的表征

图3. 柔性复合电极的电化学性能

图4. 柔性复合电极的储能机制研究

图5. 柔性水系锌电池的电化学性能和柔性研究

本文构建了具有多级微裂纹结构的新型柔性复合电极，该结构不仅能够有效促进电解质的渗透和电极材料活性位点的有效暴露，并且能够有效缓解柔性电极在发生形变时的应力集中，从而实现了兼具优异电化学性能和高机械柔性的复合电极材料。基于该电极所制备的柔性水锌电池展现出了高的工作电压平台和比容量、超高的倍率性能、超长的循环寿命和高的安全性等优异电化学性能；此外，该水系锌电池还具有优异的柔性，能够很容易地被编织到柔软的电子织物中为智能手机等设备供电，在柔性可穿戴电子设备领域具有较好的发展和应用前景。该工作为高电化学性能高柔性新型电极的设计提供了新的见解。

论文信息：Hui Wang, Yufei Lu, Zhentao Nie, Haodong Liu, Bingfei Dai, Xiaofan Shi, Bing Yan, Tiancheng Zhao, Zhitao Zhang, Jixin Zhu, and Yang Zhao*, Constructing carbon nanotube hybrid fiber electrodes with unique hierarchical microcrack structure for high-voltage, ultrahigh-rate and ultralong-life flexible aqueous zinc batteries, Small 2022, DOI: 10.1002/smll.202206338.

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202206338

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（责任编辑：xu）

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