西工大Small: 分级微裂纹结构助力高性能柔性水系锌电池

第一作者：王辉

通讯作者：赵阳*

单位：西北工业大学

柔性水系锌电池具有安全性高、柔性优、易集成等优点，在便携式和可穿戴电子产品领域具有良好的应用价值和前景。然而，受制于水较低的分解电压和柔性电极材料不理想的电化学性能，目前柔性水系锌电池仍存在工作电压低、倍率性能差、循环稳定性低和柔性较差等问题，极大地限制了其发展和在可穿戴电子器件等领域中的进一步应用。

基于此，西北工业大学的赵阳副教授等人在国际知名期刊Small上发表题为“Constructing Carbon Nanotube Hybrid Fiber Electrodes with Unique Hierarchical Microcrack Structure for High-Voltage, Ultrahigh-Rate, and Ultralong-Life Flexible Aqueous Zinc Batteries”的研究论文。本文报道了一种具有独特宏观微裂纹结构和微观多孔纳米花结构的柔性双金属磷化物/碳纳米管杂化纤维电极。

分级微裂纹结构不仅有利于电解液渗透，促进活性位点的暴露，还可以缓解纤维电极在变形时的应力集中，具有良好的电化学性能和机械柔性。所制备的柔性水锌电池表现出高工作电压平台和比容量(≈1.7 V, 258.9 mAh g⁻¹)，超高倍率能力(在50 A g⁻¹的电流密度下实现了135.8 mAh g⁻¹ 的比容量，电池充满电只需9.8 s)和高达79,000 W kg⁻¹的功率密度。

此外，柔性电池具有超长的循环寿命，在2万次循环后容量保持率为74.6%。该水系锌电池还具有优异的柔性，可以很容易地编织成柔软的电子纺织品，为智能手机供电，在柔性可穿戴电子设备领域具有广阔的发展和应用前景。

图1. 具有分级微裂纹结构的柔性杂化电极的结构和形貌表征。（a）柔性杂化纤维电极的制备过程和独特的分级微裂纹结构示意图。（b-d）柔性杂化纤维电极在不同放大倍数下的扫描电子显微图像。（e）具有传统致密结构和分级微裂纹结构的杂化纤维电极发生形变前后的对比示意图。

设计并构建了一种具有独特宏观微裂纹结构和微观多孔纳米花结构的柔性双金属磷化物/碳纳米管杂化纤维电极，该结构不仅有利于促进电解质的渗透和活性位点的暴露，还可以缓解纤维电极在变形时的应力集中，具有优异的电化学性能和机械柔性。

要点二：高性能柔性水系锌电池

所制备的柔性水锌电池表现出高工作电压平台和比容量(≈1.7 V, 258.9 mAh g⁻¹)，超高倍率能力(在50 A g⁻¹的电流密度下实现了135.8 mAh g⁻¹ 的比容量，电池充满电只需9.8 s)和高达79,000 W kg⁻¹的功率密度。此外，柔性电池还具有超长的循环寿命，在20,000次循环后容量保持率为74.6%。

要点三：高柔性、易编织、易集成

该柔性水系锌电池在3000次弯曲后容量保持率高达93.1%，具有优异的柔性；该柔性电池可以很容易地编织成柔软的电子纺织品，为智能手机提供电能，这对于下一代柔性和可穿戴电子产品很有意义。

Hui Wang, Yufei Lu, Zhentao Nie, Haodong Liu, Bingfei Dai, Xiaofan Shi, Bing Yan, Tiancheng Zhao, Zhitao Zhang, Jixin Zhu, and Yang Zhao*

Constructing Carbon Nanotube Hybrid Fiber Electrodes with Unique Hierarchical Microcrack Structure for High-Voltage, Ultrahigh-Rate, and Ultralong-Life Flexible Aqueous Zinc Batteries

赵阳，西北工业大学副教授。研究兴趣为新型柔性电池、可穿戴柔性器件等。近年来，已发表学术论文20余篇，论文共被引用2400余次；其中以通讯/第一作者发表一区SCI论文10余篇（影响因子均大于10），包括2篇Angew. Chem. Int. Ed.，1篇Chem，1篇Nano Lett.，1篇Adv. Funct. Mater.，1篇Adv. Energy Mater.，1篇Small 等，多篇入选“高被引”和“热点”论文。获授权中国发明专利4项，作为共同主编出版英文专著1部（Flexible batteries, Taylor & Francis Group）。

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