解思深院士, 周维亚教授Nano Energy：具有坚固界面接触的集成配置助力柔性锌电池- 大数跨境

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解思深院士, 周维亚教授Nano Energy：具有坚固界面接触的集成配置助力柔性锌电池

科学材料站

2020-05-27

导读：本文作者通过将Zn负极，锌保护涂层，聚酰胺隔板和正极集成到称为集成电极的单个基质中，实现了用于水性电解质中的ZIB的长循环寿命和好的柔韧性。

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适用于耐用而灵活的锌离子电池的具有坚固界面接触的集成配置

导读

柔性锌离子电池（ZIB）由于其高安全性和低成本而被认为是柔性电源的有前途的候选者。然而，传统的分离式电池构造不可避免地遭受两个相邻部件之间在弯曲应变下的相对位移或分离，这严重降低了柔性电池的性能。此外，顽固的锌枝晶大大缩短了循环寿命。

基于以上现状，解思深、周维亚等在国际知名期刊Nano Energy 上发表题为“An integrated configuration with robust interfacial contact for durable and flexible zinc ion batteries”的论文。Penghui Chen为本文第一作者。

在此，作者通过将Zn负极，锌保护涂层，聚酰胺隔板和正极集成到称为集成电极的单个基质中，实现了用于水性电解质中的ZIB的长循环寿命和好的柔韧性。与相邻层的无缝连接不仅避免了因弯曲应变而引起的相对位移或分离，但是增强了界面接触以促进电化学动力学。集成配置的内置保护涂层可显著抑制枝晶和副反应，从而延长耐用性。此外，集成配置使整个电池更轻，更薄，功能更强大。因此，这项工作为工程创新的电池配置提供了新的设计思路，并为灵活的ZIB实现了高性能。同时，这项研究结果将在柔性电子领域提供巨大的潜在应用，并促进储能设备配置的发展。

关键词

集成配置；无树枝晶负极；耐用性；界面接触；柔性锌离子电池

背景简介

1. 锌离子电池隔板引发的问题

可穿戴电子设备的繁荣引发了对对具有卓越性能的不易燃，可靠，成本有效且灵活的电化学储能设备的需求。凭借其固有的安全性，成本效益和便捷的组装工艺，水性可充电锌离子电池（ZIB）是各种储能设备中的有前途的候选者。具有良好灵活性的ZIB被迫切需要。传统上，像锂离子电池一样，通过将隔板夹在两个电极中来构造ZIB。然而，在常规配置中，由于隔板分别位于两个隔离的电极之间，因此不同组件的不同曲率半径在弯曲状态下会在它们之间产生相当大的位移或分离，这会引起接触电阻激增和电化学性能的显着下降。特别是在水环境中，这种情况将进一步恶化。因此，引入具有优异机械性能的固体或准固体电解质来促进柔性电池的机械和电化学性能。不幸的是，具有电极的润湿性良好不同于水性电解质，所述非液态电解质和电极之间的接触的刚性导致较大的界面电阻。此外，目前使用的非液体电解质是通过简单地将化学惰性的有机材料和液体溶液混合而制成的，这不利于离子电导率。因此，在保持高离子电导率和水性电解质良好渗透性的优点的基础上，有必要开发出柔性ZIB的独特结构，从而即使在弯曲状态下，所有组件仍具有牢固的界面接触。

2. 集成配置提供的新设计思路

将所有组件集成到一起的集成配置为各种灵活储能设备的合理调节提供了新见解。所有组件，包括电极，隔离器，甚至集电器，都以一个整体整体组装在一起，从而使得相邻组件之间的连续无缝连接。得益于这种配置，即使在不同的弯曲状态下，柔性设备不仅可以增强相邻组件之间的界面接触，还可以确保离子和电子的稳定传输效率。超级电容器较早地进行了集成配置的设计。例如，基于集成配置已经制造了厚度仅为1μm的超级电容器，该电容器实现了出色的比电容和出色的柔韧性（弯曲105倍）。此外，各种电池系统的集成架构设计也取得了新进展。然而，对复杂的处理和设备的严格要求以及高成本的材料不仅使其难以与当前的电池制造工艺兼容，而且增加了可扩展生产的难度。在上述方法的启发下，开发一种巧妙，低成本和有效的方法来制造具有合理集成配置的高性能柔性ZIB十分有趣。

3. ZIB面临的其他问题

实际上，除了以上关于限制灵活ZIB的电池配置方面的不足之外，整个ZIB所面对的固有的棘手障碍涉及到众所周知的Zn金属负极枝晶生长以及随之而来的较差的循环寿命。枝晶是各种金属负极如锂和锌负极的常年问题。更不幸的是，即使电解质是中性或弱酸性的，锌在水性电解质中也是热不稳定的。因此，锌是容易腐蚀的反应，包括氢生成反应和氧诱导的钝化。反过来，产生的局部pH值变化会产生有害的Zn2+钝化并破坏新鲜Zn的绝缘副产物（例如氢氧化锌和锌酸盐）。

目前已经开发出许多技术来解决上述问题。最近，Cui和他的同事们开发了一种保护性的中间相，该中间相包括具有成本效益的聚酰胺（PA）和三氟甲磺酸锌（Zn（TfO）2），并证明了其对抑制锌枝晶和副反应的显著作用。上述保护性界面极大地提高了ZIB的循环稳定性，但是，常规的隔离电池配置和中等的界面接触限制了其高倍率性能和机械灵活性。另外，像上述工作中的大多数ZIB一样，金属集电器用于机械固定电极材料并导电。应当指出，在ZIB中使用金属集电器会存在两个主要问题。

首先，金属集流体对总容量没有贡献，并且整个电极中活性材料的有效质量比例将大大降低，这大大降低了整个电池的比容量和能量密度。
其次，这会导致容量损失或高速率时性能下降。而且，在柔性电池中，这个问题将变得更加严重，在柔性电池中，弯曲时极有可能发生集电器中的活性物质脱皮的情况。

考虑到所有这些，如何在集成配置中植入保护层并摆脱金属收集器，同时又保持活性材料的稳定性必须具有挑战性，但是绝对有希望的。

文章介绍

在这项工作中，作者提出了一个巧妙的“全部集成到一个”设计中，以设计具有一体化配置的ZIB，用于稳定和灵活的能量存储。在这种精心设计的结构中，PA微孔滤膜（一种在ZIBs中通常采用的具有出色柔韧性和良好韧性的隔膜）紧密地附着在Zn金属负极的一侧。内置的Zn（TfO）2 -PA保护涂层夹在Zn负极和PA隔板之间，用作“胶水”以粘合Zn负极和PA隔板。由含α-MnO2的正极纳米线（NWs）和多壁碳纳米管（MWCNT）通过常见的刮刀涂覆方法加载到隔板上，整个正极层本身充当其自身的集电器。在最终的集成配置中，相邻组件之间存在强大的交互作用，以确保牢固的界面接触。与传统的松散堆叠结构相比，这种“全部集成为一种配置”不仅可以创建无枝晶且稳定的Zn负极，以延长循环寿命，而且还可以增强界面接触，以更好的速率降低电池的极化能力。同时，一体化的配置带来了正极部件本身替代金属集电器的可行性，并实现了电池的轻量化和薄型化。此外，相邻组件之间牢固的界面附着力可以消除弯曲状态下的相对位移或分离，从而保持了柔性电子产品所需的良好的柔韧性和高强度。

本文介绍的技术是方便且可扩展的，并结合了其低成本的材料，为推广灵活的ZIB提供了一种有前途的方法。

文章亮点

通过可管理和可扩展的过程，开发出了具有独创性的集成配置的高度灵活，耐用的锌离子电池。
连续的无缝连接可防止相对位移或分离，并确保稳定的负载和/或电子传输。
内置的Zn负极保护涂层可抑制树枝状晶体的生长，并紧密粘合负极和聚酰胺隔膜。
集成配置大大延长了使用寿命，减少了过电位并提高了灵活性。

图2.集成电极制造过程与集成电极和隔离电极之间的截面比较

Schematic illustration of the fabrication process of an integrated electrode as well as comparison of sections between the integrated electrode and segregated electrode.

文章链接:

An integrated configuration with robust interfacial contact for durable and flexible zinc ion batteries

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520304626#!

导师简介:

解思深

中国科学院院士，第三世界科学院院士。现任中国科学院物理研究所研究员、博士生导师；国家纳米科学中心首席科学家。

主要研究方向:

1．纳米碳管及其它一维纳米材料阵列体系的制备方法研究，模板生长和可控生长机理研究；内嵌或外包附及金属掺杂的研究。2. 纳米碳管及其它一维纳米材料阵列体系的的结构和谱学研究。3．纳米碳管及其及其它一维纳米材料、阵列体系的物性研究。4．纳米碳管及其它一维纳米材料作为复合材料中加强材料的应用，界面结构和性质研究。

过去的主要工作及获得的成果:

1978-1991年期间，主要研究高温氧化物超导体的合成、相关系和晶体结构。早期的高温氧化物超导体的合成、相关系和晶体结构研究工作中, “高Tc氧化物体系的发现”获1989年国家自然科学一等奖， “液氮温区氧化物超导体的合成，相关系和晶体结构”的研究获91年国家自然科学三等奖。“低温和强磁场下的超高压装置和应用于固体物理研究”获98年中科院科技进步三等奖。

自1992年，主要研究一维纳米材料（碳纳米管）和其它纳米材料的合成、结构及力学、热学、光学和输运性能。1992年在国内率先开展了碳纳米管的研究，在定向碳纳米管的制备、结构和物理性质的研究方面取得了一系列的重要进展。先后在Science、Nature上发表三篇文章，并在Phys. Rev. Letts., Phys.Rev.B, Appl.Phys. Letts., Advanced Materials等发表多篇学术论文；论文被引用2500余次。2000年ISI经典论文奖（1981-1998），2000年乔口隆基基金会材料奖，2000年何梁何利科学技术进步奖，2001年中科院自然科学奖一等奖，2002年获国家自然科学奖二等奖，2002年周培源基金会物理奖。

目前正在进行的研究项目有：

国家重大基础研究计划973项目“纳米材料与纳米结构的性能和应用基础”，担任首席科学家；

主持国家自然科学基金委员会重点项目《一维纳米材料的制备、结构和性能研究》主持国家自然科学基金委员会重大研究计划“纳米科学与技术的基础问题”

资料来源：http://www.iop.cas.cn/rcjy/zgjgwry/?id=450

周维亚

于1984、1987和1990年分别获得吉林大学理学学士、理学硕士和理学博士学位。曾为荷兰格罗宁根大学博士后和德国哥廷根大学访问学者。现任中国科学院物理研究所研究员、博士生导师，“纳米材料与介观物理”研究组组长。

主要研究方向:

碳纳米管、石墨烯及其相关纳米材料的制备、结构、性能和应用基础研究

过去的主要工作及获得的成果:

二十余年来一直从事碳纳米管以及准一维纳米材料的制备、结构控制和性能研究工作。在碳纳米管、石墨烯以及半导体纳米材料的可控制备、结构表征和性质研究，碳纳米结构宏观体包括复合结构的构筑、性能和应用基础研究等方面取得了一系列重要进展。近年来在直接连续制备碳纳米管薄膜与纤维方面取得开拓性进展，在人工肌肉、可穿戴传感器、连续型柔性热电模块、柔性储能器件、太阳能电池等功能器件应用探索方面做出了创新性工作。作为项目负责人，主持并完成了中科院知识创新工程重要方向项目、国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目、国家重大科学研究计划课题、“973”计划项目课题等十多项研究工作。已在Science, Nature, Nat. Commun.、Adv. Mater., Nano Lett., Energy & Environ. Sci. 等重要学术刊物上发表及合作发表SCI收录论文200余篇，应邀撰写综述4篇；他引10000余次，h-index为53。多次应邀在国内外重要学术会议上作邀请报告。获授权中国发明专利10余项、美国发明专利1项；在受理的发明专利10余项。作为主要完成人员，获国家自然科学二等奖一项，中国科学院自然科学一等奖一项。

目前的研究课题及展望:

作为项目负责人，正在主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金重点项目等研究工作。目前的研究课题：(1) 碳纳米材料的结构控制、尺度效应和物理性质，包括碳纳米管等准一维结构的光电性质、低温下的量子输运性质研究，揭示结构与性能之间的关系；(2) 碳纳米管有序宏观体的多功能化，构效关系以及功能器件；(3) 石墨烯及其相关纳米结构的制备、物性和应用基础；(4) 以一维碳纳米管、二维石墨烯等为基本结构单元，发展功能化宏观尺度碳纳米复合结构的构筑、性能和应用基础，重点解决碳纳米结构复合材料在能源和重要科技应用中的基础科学问题；(5) 纳米体系表面、界面结构和其对性能的调制作用；(6) 新型纳米材料的物理性质与应用价值探索。

资料来源：http://www.iop.cas.cn/rcjy/zgjgwry/?id=454