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2020-12-28
傳統(tǒng)的電化學(xué)儲(chǔ)能器件構(gòu)型主要是通過(guò)將隔膜夾在兩個(gè)電極之間并注入電解液來(lái)構(gòu)造的，即隔膜位于兩個(gè)電極之間，但三者之間是處于相互分離的狀態(tài)。當(dāng)器件處于彎曲狀態(tài)時(shí)，上述三種構(gòu)件由于不同的曲率半徑而在它們之間易產(chǎn)生相對(duì)位移或脫離，進(jìn)而導(dǎo)致接觸電阻激增、電/離子傳輸阻滯，使電化學(xué)性能惡化。所以，傳統(tǒng)構(gòu)件分離式的器件構(gòu)型在將器件向高柔性方向拓展時(shí)具有極大的局限性。一體化構(gòu)型，是指將儲(chǔ)能器件的主要構(gòu)件（正、負(fù)極、隔膜）通過(guò)較強(qiáng)的相互作用集成為一個(gè)整體，使得相鄰組件之間實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)縫連接，保證了彎曲狀態(tài)下離子和電子的穩(wěn)定傳輸。因此，一體化的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為解決傳統(tǒng)分離式構(gòu)型所帶來(lái)的柔性受限問(wèn)題的一把鑰匙，也對(duì)柔性儲(chǔ)能設(shè)備的合理結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室研究人員近年來(lái)基于所發(fā)展出的一種具有一體化結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容器，為電化學(xué)儲(chǔ)能器件向輕薄化、高柔性等功能化方向拓展提供了新思路。近期，研究人員以高安全性水系鋅離子電池的一體化構(gòu)型設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)將鋅離子電池的各個(gè)構(gòu)件集成為一體，構(gòu)建出一種一體化結(jié)構(gòu)的水系鋅離子電池（圖1）。
在這種一體化鋅離子電池的設(shè)計(jì)中，高柔性和高韌性的聚酰胺微孔膜通過(guò)鋅負(fù)極表面的涂層緊密集成來(lái)形成，而中間內(nèi)置的由三氟甲烷磺酸鋅和聚酰胺組分構(gòu)成的涂層夾在鋅負(fù)極和聚酰胺隔膜之間，可以發(fā)揮多重作用：在粘合鋅負(fù)極和聚酰胺隔膜的同時(shí)，對(duì)負(fù)極表面的枝晶生長(zhǎng)和副反應(yīng)的發(fā)生起到很好的抑制作用（圖2）。正極部分采用α-MnO2納米線和多壁碳納米管形成互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)負(fù)載在聚酰胺隔膜上，整個(gè)正極層本身充當(dāng)集流體，省去了額外的非活性組件，不僅實(shí)現(xiàn)整個(gè)電極的輕薄化，更能提升整個(gè)器件的質(zhì)量/體積能量密度。在最終的一體化構(gòu)型中，相鄰成分層間具有較強(qiáng)的相互作用，保證了穩(wěn)固的界面接觸的同時(shí)也形成了無(wú)縫連接，避免了各層組件在彎曲狀態(tài)下產(chǎn)生的相對(duì)位移或分離，不僅提升了倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性（循環(huán)5000次后的容量保持率達(dá)到89.4%）（圖3），而且展現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性和柔韌性（彎曲1000次后的容量保持率＞90%）（圖4）。該工作所采用的方法簡(jiǎn)捷易行，且與現(xiàn)有電池制作工藝有較高的兼容性；在保證水系鋅離子電池所固有的高安全性與高離子電導(dǎo)率等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，能夠解決其所面臨的枝晶生長(zhǎng)與彎曲受限等科學(xué)問(wèn)題，為高安全性、高柔性和長(zhǎng)壽命的水系電池的實(shí)際應(yīng)用提供了有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范例。
相關(guān)研究結(jié)果以An integrated configuration with robust interfacial contact for durable and flexible zinc ion batteries為題發(fā)表在Nano Energy。該工作得到了科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）等項(xiàng)目的支持。
圖1.一體化構(gòu)型和傳統(tǒng)分離式構(gòu)型的水系鋅離子電池的構(gòu)造示意圖對(duì)比
圖2.一體化構(gòu)型對(duì)鋅負(fù)極枝晶生長(zhǎng)與副反應(yīng)的抑制作用
圖3. 一體化構(gòu)型與傳統(tǒng)分離式構(gòu)型的電極在扣式鋅離子電池中的電化學(xué)性能對(duì)比
圖4. 一體化構(gòu)型的鋅離子電池在彎曲狀態(tài)下的電化學(xué)性能和演示
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