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苏州纳米所张其冲等在高性能纤维状水系锌离子电池方面取得系列进展
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分类:  创建于:2023-12-27 被查看:1050次
  随着科学技术的发展,可穿戴电子设备呈现出井喷式发展。可穿戴电子设备具有柔性、便携性和可穿戴性,从而在电子皮肤、人体运动检测、人类健康与医疗系统、可穿戴通讯设备等领域具有重要的应用价值。为了实现整个设备的可穿戴性和安全性,需要开发相匹配的高柔性、轻质量及小体积的水系储能器件。相比于有机电解液,水系电解液从根本上避免了有机电解液易燃易爆的问题,同时离子传导率比有机电解液高两个数量级,极大改善了储能器件的倍率和快充性能。锌金属负极不仅储量丰富,具有高的比容量(820 mAh g-1)和体积比容量(5851 mAh cm-3),在水系电解液中具有较低氧化还原电势低(-0.76 V,相对标准氢电极),优异的稳定性和可以承受较大的电流交换密度。水系锌离子电池凭借其成本低、运行安全性高、环境友好等多重优势在大规模储能系统的应用上显示出巨大的应用潜力。纤维状的水系锌离子电池为可穿戴能源器件的发展提供了新的机遇。因此针对市场的潜在需求,开发新型结构的高能量密度和高功率密度纤维状水系锌离子电池,对实现当今纤维状能源产业的高速发展具有重要的科学意义和经济价值。 

  高性能正极材料的开发成为水系锌离子电池发展的关键。钒氧化物具有四种氧化态,不同的组合形式和多种配位多面体,为锌离子的插入/脱出提供了多种途径。高价态钒氧化合物因其高的容量成为水系锌离子电池正极材料中最有应用前景的电极材料之一。原位电化学氧化策略是一种通过引入含氧官能团制备高价态钒氧化合物的简单有效的方法。在高电位恒电压条件下会造成电极材料的氧化,降低电极的导电性能,如何通过原位电化学氧化策略制备兼顾高容量和高导电性的钒氧化合物是一个巨大挑战。中国科学院苏州纳米所张其冲、李清文联合东南大学王春雷和南洋理工大学魏磊等团队通过原位电化学氧化Ca掺杂VO2纳米阵列成功制备了阵列化非晶态Ca掺杂V2O5 (a-Ca-V2O5),并用于纤维状水系锌离子电池正极。Ca元素掺杂和阵列化结构的构筑有效的激发了非晶V2O5的储锌潜力,可以充分利用丰富的活性位点从而获得高体积容量。根据理论计算结果,Ca的引入可以显着降低VO2的形成能,并在充放电过程中实现非晶态到晶态的可逆转换,从而进一步提高了a-Ca-V2O5的可逆容量。作为可穿戴器件的应用展示,组装的纤维锌离子电池实现了高的能量密度和优异的机械柔性。这项工作为构建兼具高倍率高容量容量的无定型金属氧化物电极提供了一种创新的设计策略,有望应用于低成本和高安全性的可穿戴储能技术。 


  图1. a-Ca-V2O5的制备表征及性能测试 

  该成果以Emerging Amorphous to Crystalline Conversion Chemistry in Ca-Doped VO2 Cathodes for High-Capacity and Long-term Wearable Aqueous Zinc-Ion Batteries为题发表在国际知名期刊Advanced Materials上。论文第一作者是东南大学和中国科学院苏州纳米所联合培养博士生郭嘉斌和南洋理工大学博士后贺冰,通讯作者为东南大学王春雷研究员、南洋理工大学魏磊副教授和中国科学院苏州纳米所张其冲项目研究员、李清文研究员。该工作得到中国科学院“率先行动”引才计划和江苏省青年基金等项目的支持。 

  随着纳米技术和多功能集成技术的发展,服装已经从简单的保暖面料发展到可穿戴的智能纺织品,实现信息可视化需要集成多色发射显示组件和可靠的储能设备。然而,由于显示和储能器件的物理隔离,存在大量独立连接的接口,导致了器件体积大、集成复杂和穿戴的不舒适性。因此,赋予纤维状水系锌离子电池显示功能是一个巨大的挑战。碳点具有优异的光致发光特性和可调谐的发射波长,为显示器提供了多色的发射能力。然而,由于不均匀电场的尖端效应和不可避免的腐蚀,导致锌负极的枝晶生长,导致其循环可逆性较差。因此,开发具有锌负极保护和多色发射双重功能的准固态电解质对于实现荧光纤维水系锌离子电池具有重要意义。 


  图2. 多功能荧光纤维水系锌离子电池及织物示意图 

  鉴于此,中国科学院苏州纳米所张其冲联合东南大学王春雷、南洋理工大学魏磊等团队通过采用亲锌基团和显著荧光特性的碳点作为电解液添加剂,实现了锌负极保护和荧光的双重功能。在金属锌表面形成具有丰富亲锌基团的碳点的超薄Zn2+吸附层,可以优化电场分布,降低成核能势垒,提高腐蚀电流,可实现2500 h内稳定可逆镀/剥离锌。此外,采用锌线作为内负极,自支撑普鲁士蓝作为外正极,并在两者之间引入荧光碳点改性凝胶电解质,成功组装了高压平台的荧光纤维水系锌离子电池。受益于电解质添加剂工程对锌阳极和自支撑普鲁士蓝阴极的多重活性位点的协同作用,荧光纤维水系锌离子电池具有长期稳定性 (循环1500次后容量保持78.9%) 和高能量密度 (0.17 Wh·cm-3)。不同发光特性的荧光纤维水系锌离子电池被编织成多色纺织品,作为可穿戴的电池显示系统,从而实现轻量化和多功能的柔性织物。 


  图3.荧光纤维水系锌离子电池的构筑及性能测试 

  该成果以Fluorescent Fiber-Shaped Aqueous Zinc-Ion Batteries for Bifunctional Multicolor-Emission/Energy-Storage Textiles为 题发表在国际知名期刊ACS Nano上。论文第一作者是东南大学和中国科学院苏州纳米所联合培养博士生刘樊,通讯作者为东南大学王春雷研究员、南洋理工大学魏磊副教授和中国科学院苏州纳米所张其冲项目研究员。该工作得到中国科学院“率先行动”引才计划和江苏省青年基金等项目的支持。 
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