北理工王克亮团队AFM: 用于高性能柔性锌空气电池的准液态凝胶电解质- 大数跨境

首页

北理工王克亮团队AFM: 用于高性能柔性锌空气电池的准液态凝胶电解质

科学材料站

2023-05-17

导读：北理工王克亮团队AFM: 用于高性能柔性锌空气电池的准液态凝胶电解质

文章信息

用于高性能柔性锌空气电池的准液态凝胶电解质

第一作者：商诺

通讯作者：王克亮*

单位：北京理工大学，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室

研究背景

柔性锌空气电池近年来发展迅速，但其仍面临功率低、大电流密度下寿命较短的问题。通常情况下，凝胶阻抗远大于液体电解质阻抗，这在很大程度上是由于离子在遇到凝胶骨架结构时的能量损失远大于液体状态，因此理想的离子电导率最高的凝胶形式是只有外层凝胶，以使电解质具有弹性并保持其力学性能，而内部全部为液体。接近这种形式的凝胶可以称为“准液体凝胶”。在所有凝胶类型中，成本低、离子电导率强、与电极接触良好的PAA凝胶是解决柔性锌空气电池应用痛点的关键，在其基础上进行改性修饰是建立“准液态凝胶”的理想选择。本研究即旨在建立离子导率接近液态电解质的改性PAA凝胶。

文章简介

近日，来自北京理工大学的副教授王克亮在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Quasi-liquid gel electrolyte for enhanced flexible Zn-air batteries”的研究论文。

本研究创新地使用冷冻扫描电镜获得了PAA凝胶骨架结构的清晰图像，为后续的分析和修改奠定了基础。此外，通过使用大粒径的微米级SiO₂作为稳定的占用剂，引导二氧化硅颗粒之间建立凝胶结构，然后用强碱热溶液将二氧化硅原位溶解，扩大PAA凝胶的原有孔径。因此，孔径扩大使得凝胶内部的骨架结构变得松散，减少了凝胶骨架结构在离子传输过程中像“墙”一样阻碍离子传输路径导致能量损失的结构数量，并大大提高了凝胶的离子导电性，使其接近“准液态凝胶”，最终提高了柔性锌空气电池的工作性能，尤其是在大电流工况下。通过这种方法，将少量未反应的SiO₂作为额外的保水剂和增塑剂，提高保水率，同时在一定程度上弥补了吸水率增加后对力学性能的不利影响。

在优化SiO₂的添加比例后，改性凝胶的离子电导率峰值可以达到惊人的562.6 mS cm^-1，基于其制备的柔性锌空气电池峰值功率密度达到154.48 mW cm^-2。在10 mA cm^-2的高电流密度条件下，电位差减小，性能稳定，寿命得到一定程度的提高。这些结果表明，该方法有效地提高了柔性锌空气电池的功率性能，是解决柔性锌空气电池功率差问题的可行方法。

图1. 凝胶扩孔降低内阻机理

图2.（a）纯PAA凝胶截面冷冻电镜1500倍图像；（b）p18@PAA凝胶截面冷冻电镜1500倍图像；（c）四种不同配比凝胶交流阻抗图及x轴交点放大图；（d-e）p18@PAA电解质凝胶弯折、扭转能力；（f）四种凝胶的离子导率对比；（g）纯PAA凝胶、经处理前的p18@PAA凝胶和处理后p18@PAA凝胶的FT-IR图谱；（h）不同凝胶的水保持能力；（i）两种凝胶对水和电解液的吸收量对比

图3.（a）电池测试的三明治结构模拟图；每种凝胶所构成电池的（b）电池阻抗图谱及与x轴交点处放大图、（c）2mA cm^-2恒流放电情况及电压对比放大图、（d）以锌消耗量为计算基准的质量比容量对比图、（e）在不同电流密度下的阶梯放电对比图、（f）LSV测试图、（g）功率密度对比图；（h）本研究的凝胶电解质与其它相关研究在离子导率和所组成金属空气电池的功率密度的对比

图4. （a）各组电池在10 mA cm^-2下的充放电循环性能；（b）各组电池在2 mA cm^-2下的充放电循环性能；（c）电池在实际情况中弯折与反向弯折的工作情况；（d）电池在实际情况中应用如LED和电子钟中的表现

本文要点

要点一：通过冷冻电镜得到凝胶真实微观图像

传统凝胶微观图像绝大部分采用冷冻干燥后利用扫描电镜观察的方法，其优势是对设备要求不高，便于操作，且能保留凝胶孔道基本情况。但劣势就是测试周期较长，且凝胶会由于结构塌陷使得孔径大小、孔数等信息难以比较。冷冻电镜技术是通过将冷冻传输系统和扫描电镜结合起来，利用真空液氮泥极快速冷冻干燥，之后直接进行断裂、喷金、观察，能近乎做到对结构毫无损伤，能观察到凝胶孔径与真实结构，该技术已经在生物领域广泛应用。本研究通过冷冻电镜技术指导实验并进行结果对比。

要点二：首次采用扩孔技术提高凝胶离子导率

传统对于凝胶孔的改性通常是令孔从无到有，而本研究创新性采用占位剂令凝胶孔径由小变大，从而减少凝胶中骨架结构的数量，极大降低了凝胶内阻，从而使制得的凝胶离子导率达到562.6 mS cm^-1，接近同等KOH浓度的液态电解质。

要点三：以此为基础的柔性锌空电池具有良好大电流充放电能力

在大粒径二氧化硅的引导下，新型的扩孔改性方法显著提高了离子电导率，峰值功率密度超过154 mW cm^-2。使用该凝胶的柔性锌空电池运行稳定，小电流充放电循环寿命超过40小时，10mA cm^-2大电流密度下工作十分平稳，充放电电压差得到降低，寿命也达到了延长。

文章链接

Quasi-liquid gel electrolyte for enhanced flexible Zn-air batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303719

通讯作者简介

王克亮，男，北京理工大学长聘副教授，博士生导师。研究领域为金属-空气电池、燃料电池等，主讲工程热力学和传热学。主要以动力电源和电池储能为研究对象，针对电池的功率密度、充放电效率及寿命问题，开展金属电极、电解质、空气电极等电池关键技术的实验和理论研究。现担任清华大学汽车安全与节能国家重点实验室客座研究员，国际知名期刊审稿专家，国家自然科学基金、香港基金、北京自然科学基金项目评审专家。主持完成清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金、国家自然科学基金、军委科技委等项目。长期从事于金属-空气电池研究，包括枝晶生长和金属电极腐蚀、凝胶电解质和氧氧化还原催化剂研发。以通讯作者在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal等高水平期刊上发表SCI论文五十余篇。

第一作者简介

商诺：北京理工大学2021级硕士研究生，导师为北京理工大学王克亮副教授。主要研究方向为可充电锌空电池固态及准固态电解质，以第一作者在Advanced Functional Materials、Journal of Materials Chemistry A发表论文两篇

课题组介绍

王克亮副教授课题组：北京理工大学机械与车辆学院热能工程研究所动力电池实验室

王克亮课题组@北京理工大学（x-mol.com）

课题组招聘

因科研需要，课题组每年招收具有动力工程及工程热物理、新能源科学与工程等相关专业背景的硕士研究生1-2名，欢迎对储能器件、柔性电池、燃料电池等相关研究方向感兴趣的同学加入我们！感兴趣的同学请发简历到wangkl@bit.edu.cn。

注意：1、招收的硕士生报考的学院是北京理工大学机械与车辆学院，专业为动力工程及工程热物理，方向为新能源科学与工程。