水系锌离子电池(AZIBs)在安全、低成本以及可持续储能方面具有很大的潜力,尤其是在可穿戴电子设备和柔性储能设备中。然而,它们的实际应用受到锌离子传输慢、副反应多以及锌枝晶生长等问题的限制,这些问题影响了AZIBs的电化学性能和寿命。尤其是对于软包电池来说,这些挑战更加复杂,因为软包电池还需要具备力学柔性和耐用性。因此,探索新型凝胶电解质实现高容量、长寿命和高力学性能的AZIBs具有重要意义。
图1. HTHE的仿生设计
图2. Zn2+在电解质本体中选择性传输,减少了去溶剂化阶段的副反应,并抑制了沉积阶段的枝晶生长。
图3. 对称电池和不对称电池的电化学性能
图4. 全电池的电化学性能
图5. 软包电池的电化学性能
具有HTHE的软包电池表现出优异的耐用性,在5 A g-1电流密度下经过约10000次超长循环后,其比容量仍保持在100 mAh g-1以上,容量保持率达80%,循环寿命比此前报道的锌离子软包电池提升近一个数量级。此外,该软包电池展现出卓越的力学稳定性,即使把软包电池下方的核桃敲碎了,软包电池仍能保持正常工作,展现了卓越的力学稳定性和安全性。这一特性为其在恶劣环境中的可穿戴应用提供了重要潜力。
本研究基于多阶段协同设计原则,成功开发了多级逐层旋转结构凝胶电解质(HTHE)。HTHE通过多级逐层旋转结构、强氢键网络和锌亲和基团的协同作用,实现了Zn2+选择性传输、抑制了析氢等副反应的发生,并促进均匀的锌沉积,为高性能AZIBs的构建提供了创新解决方案。组装的对称电池在宽电流密度范围内表现出优异的循环稳定性。组装的Zn//PANI全电池也展现出高容量和优异的循环稳定性。特别是,具有HTHE的Zn//PANI软包电池具有令人印象深刻的近10000次超长循环和卓越的力学稳定性。本研究推动了柔性耐用的储能装置在可穿戴和大规模系统中的实际应用。
论文链接:https://doi.org/10.1039/D5EE00001G
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