Ivan Parkin/Guanjie He博士课题组：一种基于抗衰老固态电解质的柔性锌离子电池- 大数跨境

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Ivan Parkin/Guanjie He博士课题组：一种基于抗衰老固态电解质的柔性锌离子电池

科学材料站

2020-09-09

导读：本文研发出一种基于抗衰老固态电解质的柔性锌离子电池，并揭示和对比了固态高分子电解质和水凝胶电解质在衰老性上的表现。

研究背景

随着柔性电子设备的发展，柔性储能设备便提上日程。相比于锂离子电池，基于水系锌离子电池而研发的柔性锌离子电池有着更为出色的离子导电率，安全性，和延展性。

目前水凝胶普遍用于柔性锌离子电池的设计中，存在其中的大量水分子使得水凝胶电解质可以到达10-2 S cm-1。然而水凝胶电解质的衰老性，亦或者是由于水凝胶致密化的问题却少有研究，衰老性的问题也限制着柔性锌离子电池的产品化道路。

文章简介

近日，伦敦大学学院Ivan Parkin教授和Guanjie He博士课题组研发出一种基于抗衰老固态电解质的柔性锌离子电池，并揭示和对比了固态高分子电解质和水凝胶电解质在衰老性上的表现。

这种固态电解质是基于环氧高分子聚乙二醇二缩水甘油醚PEGDGE，且拥有着较高的界面粘性。与塑化剂碳酸丙二酯混合后，其电导率可达到3.77 × 10-4 S cm-1。该文章也与海藻酸钠制成的水凝胶电解质作为对比。

研究表明，在长时间的EIS衰老测试中，水凝胶电解质的界面电阻变化较为明显，仅维持了100小时。而一种基于环氧高分子的粘黏性固态电解质（PEGDGE）却能保持稳定200小时。除此之外，水凝胶电解质的内阻有着更为明显的变化，但固态电解质却维持着较为稳定的内阻。

要点解析

要点一：

图1.

. (a) CV测试；(b)(c) 扩散和电容性分析；(d) TG分析表征；(d) EIS全电池测试; (e) 等效电路图；(f) 柔性器件示意图。

将电解质组装于Zn/MnO2电池中，全电池主要变现为diffusion-control。且离子导电率随着PC质量含量的增加而升高。当PC的质量百分比超过50 wt%, 离子导电率随着ZnOTf含量的减少而降低。

如图1f所示，全固态器件由不同材料堆叠而成，后用复合材料中真空辅助传递模塑技术（VARTM）将未固化的溶液浸入如上材料中固化成型。

要点二：

图2.

(a) PEGDGE的EIS aging测试；(b) PEGDGE界面电阻和内阻的变化；(c) 水凝胶电解质海藻酸的EIS aging测试；(d) 水凝胶电解质海藻酸的界面电阻和内阻的变化; (e) 固态电解质界面示意图；(f) 水凝胶电解质界面示意图。

如图2所示固态电解质的界面电阻可以稳定维持200小时，而水凝胶电解质仅维持了100小时。反观电解质内阻的变化，对于固态电解质来说变化却不明显，可以稳定维持近400小时。而水凝胶电解质的内阻变化却较为明显，在200多小时的测试中，内阻成一直增长的趋势，且在170小时后有明显的提升，近乎一倍。

由此说明，由电场而引发的水凝胶电解质致密化问题不单影响着界面电阻，对内阻的影响也很明显。面对产品化的使用场景，水凝胶电解质自身的衰老性无法满足日常长时间的使用。水分子的蒸发速率为BuAc=0.3，界面水层的蒸发，使得界面电阻易快速增长。随之而来的水凝胶电解质内部水分子的流逝，也导致着内阻明显的变化。反观固态电解质，由于有机溶剂碳酸丙二酯(PC)有着更低的蒸发速率（BuAc=0.005），所以界面电阻可以稳定更久。

当界面溶剂蒸发后，有着粘黏特性的固态电解质易与锌负极表面形成金属-聚合物吸附键。以上的测试均在外部环境中完成以模拟真实的使用场景，数据的微小波动是由每天的温度变化引起。

要点三：