柔性可穿戴電子產品的蓬勃發展，對柔性能源器件的高性能和高安全性提出了更高的需求。近來，東華大學材料科學與工程學院王宏志教授課題組已在可穿戴熱電器件和固態鋰電池領域開展了相關工作，開發了基於碳納米管互穿二硫化鉬薄膜的高輸出電壓的熱電腕帶（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202002508），基於雙層異質結構固態電解質的高安全、高能、極端環境耐用型鋰金屬電池（Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202000709）。
近年來，具有低成本（水系電解液成本低廉，製備簡單；鋅金屬儲量豐富）、高安全性（水系電解液無毒、不易燃；鋅金屬在水介質中性能穩定）、高容量（鋅金屬理論容量820 mA·h g-1, 5855 mA·h cm-3），組裝方便（可在空氣環境中直接組裝）等優勢的柔性水系鋅離子電池（ZIBs）也引起了研究人員們極大的興趣。柔性ZIBs通常採用不會漏液的半固態聚合物作為電解質，如聚環氧乙烷（PEO）、聚乙烯醇（PVA）等，但這些聚合物電解質機械強度低、離子電導率低，使得柔性ZIBs的發展受到了極大的限制。因此，開發具有穩定的高機械強度、高離子電導率的聚合物基電解質迫在眉睫。
鑑於此，研究團隊將綠色環保天然的聚合物黃原膠（XG）和棉花納米纖維素（CNF）引入到聚丙烯醯胺（PAM）基水凝膠中，加入無機鋅鹽，設計了一種高機械強度、高離子電導率（28.8 mScm-1）的PAM-XG接枝聚合物複合CNF雙網絡結構水凝膠電解質。這種穩定的聚合物電解質，利用XG和CNF含有大量親水性基團，提高了純PAM的離子電導率；利用XG增稠劑的特性和CNF富含的三維網絡結構，提高了純PAM的機械強度。將該聚合物電解質應用於柔性Zn-MnO2電池，實現了高比容量（237 mA·h g-1），優異的循環穩定性（1000次循環後容量保持率為86.2%），以及嚴苛條件（彎曲、摺疊、戳刺、水洗、浸泡）下的工作穩定性。有趣的是，這一柔性鋅離子電池還可用於水下預警救援系統中，拓寬了柔性電池應用的範圍。
圖1. 聚丙烯醯胺接枝黃原膠/棉花納米纖維素雙網絡結構水凝膠電解質的製備流程示意圖（a），化學結構（b）與實物照片（c）。
圖2. 柔性水系鋅離子電池在嚴苛條件（彎曲、摺疊、戳刺、水洗、浸泡）下的工作穩定性測試（a-f），電池在水下工作（g），封裝電池在水下充放電循環測試（h）。
圖3. 柔性水系鋅離子電池的可穿戴應用（a-b）與水下預警救援系統的應用（c-d）。
該工作為高性能、高安全性的柔性儲能器件的開發設計與應用提供了新思路。相關研究成果發表於《ACS Applied Materials & Interfaces》上，題為「Stable Hydrogel Electrolytes for Flexible andSubmarine-Use Zn-Ion Batteries」，該研究工作的第一作者為東華大學王寶俊博士生，通訊作者為東華大學李耀剛、王宏志教授。
論文全文連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c12313
來源：高分子科學前沿
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