哈工大:水系鹼性電池方面取得重大進展!

2021-02-14 材料科學與工程

近日，哈工大深圳校區柔性印刷電子技術研究中心、材料科學與工程學院教授黃燕在水系鹼性電池循環穩定性和自癒合特性上取得重大進展。研究成果分別發表於國際著名期刊《先進能源材料》（Advanced Energy Materials 影響因子：21.875）和《德國應用化學》（Angewante Chemie International Edition影響因子：12.102）。論文題目分別為「Solid-State Rechargeable Zn//NiCo and Zn-air Batteries with Ultra-Long Lifetime and High Capacity: the Role of a Sodium Polyacrylate Hydrogel Electrolyte」和「An intrinsically self‐healing NiCo//Zn rechargeable battery by self‐healable ferric‐ion‐crosslinking sodium polyacrylate hydrogel electrolyte」。

水系電池採用水作為電解質溶劑，解決了易燃有機電解質引起的安全問題，在柔性可穿戴電子領域受到研究者的重視。但是，水系電池存在一定的弊端。一方面，其凝膠電解質在電池充放電過程中易失水，使得離子導電率下降，電解質成分偏析，容量劇減，最終導致電池循環穩定性差；另一方面，在日常使用過程中，它們總是不可避免地受到各種變形和局部應力的影響，嚴重限制電池的壽命和可靠性，最終導致電子系統的故障。

針對上述問題，校區黃燕教授合成出新型聚丙烯酸鈉基水凝膠電解質。

聚丙烯酸鈉與水分子間的高相互作用能量使其具有超保水特性，同時丙烯酸酯負電荷基團在負極表面形成類SEI膜有效抑制枝晶形成。採用該電解質製備的柔性鎳鋅和鋅空氣電池都展現出了最長循環穩定性能，循環次數/時間比目前所有文獻報導的結果高出8-40倍。


上欄：聚丙烯酸鈉水凝膠電解質示意圖及柔性鹼性鎳鋅（左）和鋅空電池（右）的循環穩定性比較；下欄：本徵自癒合鹼性鎳鋅電池癒合前後圖；

此外，聚丙烯酸鈉水凝膠分子鏈通過鐵離子交聯以促進整體網絡的動態重建。這些非共價交聯在水凝膠被切斷時重新連接受損表面，為電池實現固有的自我恢復能力提供最終解決方案。因此，使用該水凝膠電解質的鎳鋅電池可自主自愈，在4次斷裂/癒合循環後保留超過87％的容量。

    

黃燕教授的獨創性成果大大解決了水系鹼性電池的循環穩定性和本徵自癒合問題，並且在這些指標上達到了一個新的高度。

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