江南大学魏取福教授团队AFM: “盐包水”非碱性凝胶聚合物电解质助力柔性锌空气电池超长寿命

第一作者：张延安

通讯作者：魏取福，吕鹏飞，柯惠珍

单位：江南大学，闽江学院

凝胶聚合物电解质组装的柔性锌空气电池有望应用于可穿戴电子设备。然而，低可逆性和短循环寿命阻碍了锌空气电池的产业化进程。由于锌空气电池的半开放结构，热力学不稳定的凝胶聚合物电解质中的水分不可避免地持续蒸发从而导致离子电导率、电池能量输出和寿命急剧下降。同时，失水引起的盐结晶严重破坏了反应界面和空气通道以及凝胶聚合物电解质的力学性能。

鉴于此，受沙漠植物收集雾补充水分的启发，本论文首次提出了基于三氟甲基磺酸锌和乙酰胺配位作用的“盐包水”型凝胶聚合物电解质。该电解质表现出非凡的热力学稳定性。电解质组分成分之间的强烈相互作用促进从环境捕获水分，实现了水分子吸附和解吸的动态平衡。所制备的柔性锌空气电池实现了1300小时的超长循环时间。

近日，江南大学的魏取福教授与吕鹏飞研究员，闽江学院柯惠珍副教授在国际权威期刊Advanced Functional Materials上发表题为：“Water-in-Salt” Nonalkaline Gel Polymer Electrolytes Enable Flexible Zinc-Air Batteries with Ultra-Long Operating Time的研究文章。该文章提出了一种新型的“盐包水”型非碱性凝胶聚合物电解质(WIS-PAA/CNF)，该电解质成功应用于柔性锌空气电池，并实现了1300小时的充放电循环。

图1. WIS-PAA/CNF电解质以及三氟甲基磺酸锌和乙酰胺的配位作用示意图。

为了维持生命活动，仙人掌通过在高度干旱的沙漠中使用刺来吸收雾作为额外的水源。受此启发，从环境中吸收水分以维持凝胶聚合物电解质的电化学和机械性能是实现柔性锌空气电池长时间运行的新策略。如图1b所示，WIS-PAA/CNF电解质通过电解质溶液中丙烯酸的自由基聚合一步合成。图1c展示了该水凝胶中存在的双网络结构。纤维素纳米纤维的加入可以通过物理缠结和可逆的氢键增强电解质凝胶的强度和拉伸性。

三氟甲基磺酸锌和乙酰胺配位作用促进了电解质盐的解离，并构建了“盐包水”型电解质系统。如图1d所示，由于WIS-PAA/CNF中的水分子数量不足，在电解质表面上没有充分溶剂化的极性基团和离子从湿度环境中捕获水分子，捕获的水分子在其表面溶剂化，并通过浓度梯度扩散到凝胶聚合物电解质中。

图2. （a）仙人掌集雾机制，（b, c）WIS-PAA/CNF的制备和双网络结构，(d) 电解质吸湿机制，（e）三氟甲基磺酸锌和乙酰胺配位作用。

要点二：WIS-PAA/CNF电解质的吸湿性和黏附性

在25°C、相对湿度（RH）为60%的环境中暴露16小时，WIS-PAA/CNF电解质为初始重量的105.7% （图3a）。一周后达到相对稳定状态为104.3%。该电解质不仅在RH=60%的环境中没有质量损失，而且自身重量略有增加。由于对二氧化碳的反应惰性，质量的增加归因于从环境空气中吸收水。

在高潮湿环境（RH 80%）中，该电解质从周围环境中吸收了更多的水，电解质质量增加为初始状态的144.2% (图3 b)。此外，该电解质还具有良好的黏附性，WIS-PAA/CNF电解质可以紧密的黏附正、负极，无需胶带，缝线等固定措施 (图3f, g)。

图3. 凝胶聚合物电解质的稳定性和黏附性

要点三：基于WIS-PAA/CNF电解质的锌空气电池性能

WIS-PAA/CNF电解质表现出了出色的热力学稳定性。于此同时，近中性电解质抑制了传统碱性电解质难以解决的锌电极腐蚀和枝晶问题。因此，基于该电解质的柔性锌空气电池在0.1 mA cm^-2的电流密度下实现了1300小时的连续充放电循环，远高于碱性电解质和非“盐包水”型电解质（图4f）。

图4. 基于WIS-PAA/CNF电解质的锌空气电池性能

要点四：应用与前瞻

考虑到对人体的运动和柔性织物的复合，可穿戴电源设备必须在变形下可靠工作。如图5所示，基于WIS-PAA/CNF电解质组装的一维“电缆型”和二维“三明治型”锌空气电池在打结和弯曲的形变下依然保持稳定的充放电性能。此外，我们还发现电解质和电极牢固地粘合在一起没有剥离，这说明了电池的良好机械稳定性。所制备的电池可以为发光二极管、数字手表和电子温湿度计供电。

这项工作为开发高稳定性凝胶聚合物电解质提供了一种新的策略，也将促进柔性可穿戴锌空气电池的基础研究和商业化进程。

图5. 一维和二维锌空气电池的柔性和初步应用

“Water-in-Salt” Nonalkaline Gel Polymer Electrolytes Enable Flexible Zinc-Air Batteries with Ultra-Long Operating Time

魏取福教授简介：英国 Heriot-Watt 大学博士，哈佛大学高级访问学者，现任江南大学生态纺织教育部重点实验室主任，二级教授、博士生导师。入选教育部新世纪优秀人才。

主持和承担了国家重点研发计划、国家高技术研究计划（863）、国家自然科学基金、科技部科研院所专项、教育部创新团队、新世纪人才计划、教育部重点项目等科研项目20余项。相关成果获教育部自然科学二等奖、新疆维吾尔自治区自然科学二等奖、中国商业联合会科学技术一等奖、纺织工业协会教学成果一等奖等科研奖励。

近年来共发表学术论文600余篇，其中SCI收录论文400余篇，其中包括Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Energy Storage Mater.、Chem. Eng. J.、Green Chem.和Biosens. Bioelectron.等国际权威学术期刊；已授权国家发明专利30多项，国际发明专利2项，香港发明专利1项。主编有Woodhead Publishing 出版的英文学术专著2部。2020和2021连续两年入选爱思唯尔纺织科学与工程中国高被引学者。

吕鹏飞研究员简介：2019年获得江南大学与北卡罗来纳州立大学联合培养博士学位，2019-2021年在天津大学材料学院从事博士后研究。

主要致力于功能纳米纤维材料的设计与制备及其在智能可穿戴、软体机器人和热管理等领域的应用研究。迄今已发表SCI论文60余篇，他引1200余次，H因子21，其中包括Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Today、Adv. Funct. Mater.、Mater. Horiz.、Chem. Eng. J. 、Bioresource Technol.和Carbohyd. Polym.等国际权威学术期刊，申请发明专利8项。

主持国家自然科学基金青年基金项目、中央高校基本科研计划-国防培育项目、江苏省自然科学基金面上项目和中国博士后科学基金面上项目等科研项目10余项，相关成果获江苏省优秀博士论文和全国王善元优秀博士论文基金和2021年新疆自治区自然科学二等奖等科研奖励。担任SCI期刊Frontiers in Energy Research、Frontiers in Materials和Materials等学术期刊客座编辑。

柯惠珍副教授简介：2016年获得江南大学与美国纽约州立大学石溪分校联合培养博士学位，2021-2022年在天津大学材料学院从事访问学者研究工作。

现任福建省纺织服装实验教学示范中心主任，福建省新型功能性纺织纤维及材料重点实验室常务副主任。入选福建省高层次C类人才，福建省高校杰出青年科研人才、“闽都学者”拔尖人才。主要致力于功能纤维材料的设计与制备、柔性可穿戴太阳能电池等领域的研究。迄今已发表第一和通讯作者学术论文70余篇，其中包括cell子刊Trends in Chemistry、Adv. Funct. Mater.和Chem. Eng. J.等国际权威学术期刊。

授权专利54项，其中发明专利10项，已转让专利5项。主持和承担了国家自然科学基金青年基金项目、中央引导地方科技发展专项资金项目、福建省自然科学基金面上项目、福建省自然科学基金青年创新项目、福建省技术创新重点攻关及产业化项目、福建省高校产学合作项目教育部产学合作协同育人项目等项目20余项，相关研究成果获王善元全国纺织科学与工程一级学科优秀博士学位论文奖、福建省自然科学优秀学术论文三等奖和福州市自然科学优秀学术论文一等奖。

张延安简介：江南大学纺织科学与工程学院19级博士研究生，师从魏取福教授。主要致力于微纳米功能纤维的设计制备及在可穿戴能源存储领域的应用研究。博士期间以第一作者身份在Adv. Funct. Mater.和Energy Storage Mater.等高水平杂志发表学术论文6篇。

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