天津大学Nano Energy: 多孔纳米二氧化硅复合聚乙烯醇基聚合物电解质用于长循环寿命的柔性锌空气电池

【引言】

随着柔性电子显示屏、可植入电子设备、类皮肤型传感器、可穿戴的个人多媒体、手持设备等柔性和便携式电子器件的快速发展，轻质、微型、超薄、可弯曲、可拉伸和可穿戴的能量储存器件的发展至关重要。近年来，柔性锌空气电池由于其高的理论能量密度（1086 Wh kg^–1），低成本和环境友好性的特点，是一种十分具有发展前景的储能器件。柔性锌空气电池一般由锌阳极、固态/半固体电解质、空气阴极和封装材料组成。其中，半固态/固态电解质起着电极之间的离子传输作用，其离子传导率、界面接触等性质将显著影响柔性锌空气电池的性能包括循环寿命，倍率特性和功率输出等。近年来，聚乙烯醇基碱性聚合物电解质（PVA–KOH）由于制备简单、化学稳定性好而受到了广泛关注，但是锌空气电池独特的半开放结构对PVA–KOH电解质体系的保水性、离子传导能力提出了挑战。因此，具有高保湿性、高离子传导率保持性的新型聚合物电解质的开发成为突破柔性锌空气电池领域一个关键挑战的研究重点。

【成果简介】

传统PVA–KOH聚合物电解质已经被广泛应用于柔性锌空气电池的组装。但是，由传统PVA–KOH聚合物电解质体系组装的锌空气电池具有以下问题：（1）由于PVA–KOH聚合物电解质中KOH的浓度较低而导致低的离子传导率，（2）由于PVA的交联结构而导致较为致密的聚合物基体从而使聚合物电解质的吸液性较差，（3）由于锌空气电池的半开放结构而使空气电极一侧水分易蒸发而对聚合物电解质的保湿性提出挑战。

为了解决上述问题，天津大学材料学院在Nano Energy上发表了题为“Porous Nanocomposite Gel Polymer Electrolyte with High Ionic Conductivity and Superior Electrolyte Retention Capability for Long-Cycle-Life Flexible Zinc–Air Batteries”的文章。该工作制备了一种多孔结构的PVA来改善其聚合物电解质总体的吸液性，另一方面，通过引入表面具有羟基的二氧化硅纳米颗粒以提高电解质的保湿性。并且，通过改变纳米二氧化硅颗粒的引入量，获得了具有最佳添加量（5 wt.%）的多孔纳米二氧化硅复合PVA基聚合物电解质。该电解质表现出优异的离子电导率（57.3 mS cm^–1）和电解质保持能力以及良好的热学和机械性能，使用该电解质组装的柔性锌空气电池表现出长达48小时的优异的循环稳定性，稳定的放电性能和较高的功率输出。更值得一提的是，使用这种多孔纳米二氧化硅复合PVA基聚合物电解质组装的柔性锌空气电池可以为多种电子装置提供动力，同时可以承受各种弯曲条件的变形而没有任何性能降低。

【图文导读】

图1：柔性锌空气电池的组装示意图和多孔纳米二氧化硅复合PVA基聚合物电解质的制备方法及其内部结构。

图2：

多孔纳米二氧化硅复合PVA聚合物电解质的横截面的 (a) 扫描电子显微镜照片, (b) 元素分析, (c–f) 碳(C), 氧(O), 硅(Si)元素面扫图。

图3：

基于多种PVA基聚合物电解质的锌空气电池的 (a) 充放电循环, (b) 倍率性能, (c) 恒电流放电, (d) 放电极化曲线, (e) 功率密度曲线

图4：

(a) 两个锌空气电池串联电池组的开路电压展示. 两个锌空气电池串联电池组点亮 (b) 移动电话, (c) 手持电风扇, (d) LED屏. (e) 组装的手环状锌空气电池组点亮LED电子表. (f) 在不同弯曲角度下锌空气电池的充放电循环曲线

【小结】

总的来说，通过在PVA聚合物基体上制造多孔结构，电解质的性能在各个方面均有了一定提高，如离子传导率，液态电解质吸收率等。通过在PVA基聚合物电解质体系中引入适量的纳米二氧化硅颗粒可以提高离子传导率，液态电解质吸收率，液态电解质保持能力。并且，用所制备的含有最佳二氧化硅添加量（5 wt.%）的多孔纳米二氧化硅复合PVA基聚合物电解质所组装的锌空气电池显示出优异的充放电循环稳定性，恒流放电性能，倍率性能和功率输出，以及优异的柔性，在各种弯曲条件下没有任何性能降低。

文献链接：Porous Nanocomposite Gel Polymer Electrolyte with High Ionic Conductivity and Superior Electrolyte Retention Capability for Long-Cycle-Life Flexible Zinc–Air Batteries（Nano Energy, 2019, DOI:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.11.057）

本文由Sherry撰稿

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