随着以可穿戴设备为首的新兴电子领域的快速发展,传统商业锂离子电池因其刚性结构难以满足柔性需求,且其存在热失控和有机电解液泄漏等安全风险。因此,亟需开发安全、柔性的高性能电池,以适应各种柔性可穿戴设备的用电需求。柔性全聚合物水系电池以其本征安全和柔性的优势,成为替代锂电池的理想选择。
然而,柔性全聚合物水系电池仍面临电压窗口限制导致能量密度低、聚合物电极稳定性差以及电极与电解质作用机制不明等问题。
近期,
哈尔滨工业大学(深圳)何思斯教授
、
浙江大学范修林
研究员和国科温州研究院张越宇研究员
等人以聚苯胺
为电极
,开发出一种
全新
的
柔性
全聚合物水系电池
,
创新性地使用聚苯胺作为正负极材料。
该研究采用环境友好的聚合物
-
水系电解液(
PAE
),
即将
2m NaTFSI
钠盐溶解于
PEGDME
-H
2
O
溶液中
(图
1
)。与
传统水系电解液
(
2m NaTFSI
)相比,
展现出更宽的电压窗口,同时具备水系电解液的高离子电导率和
本征
安全
等特
性。
PAE
电解液通过调控溶剂化结构拓宽了电压窗口,并促进了固态电解质界面的形成,使聚苯胺的阳离子掺杂在水系环境中成为可能,从而实现了其在正、负极上的同时应用
(图
2
)
。这一设计显著提升了电极氧化还原产物的稳定性和循环性能,并预示着更多聚合物电极材料在水系电解液中的应用潜力。该电池的放电容量达
139 mAh/g
,能量密度为
153 Wh/kg
,在
4800
次循环
(
381
天)
后仍保持超过
92%
的容量
(图
3
)
。此外,研究团队成功实现了
柔性
全聚合物电池的大规模制备,展示了良好的柔性和可回收性
(图
4
)
,为可持续穿戴电子设备提供了重要的技术范例。
相关研究成果以
“Energetic and durable all-polymer aqueous battery for sustainable, flexible power”
为题,发表在
Nature Communications
上。
图
1
, 由聚合物
-
水系电解液组成的全聚合物水系钠离子电池示意图。
图
2
,电解液设计以及水化层结构研究。
图
3
,全聚合物电池的电化学性能与固体电解质界面(
SEI
)研究。
图
4
,柔性全聚合物电池的制备及回收。
利用聚苯胺对称电极并结合聚合物
-
水系(
PAE
)电解液,成功实现了
柔性
全聚合物水系电池,展现出优异的能量密度与循环寿命。研究表明,
PAE
电解液中的氢键和溶剂化结构有助于稳定聚苯胺的可逆循环,并形成稳定的
SEI
界面,提升电池的循环稳定性。
原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53804-2
作者简介
【
通讯作者
】
何思斯
教授
哈尔滨工业大学(深圳)教授,博士生导师
。
2017
年复旦大学高分子物理与化学专业博士毕业(导师:彭慧胜教授),毕业后先于日本冲绳科学与技术大学(合作导师:戚亚冰教授)开展博士后工作,后作为加拿大麦克马斯特大学
Michael G. DeGroote
国际人才重点专项基金特聘博士后研究员(合作导师:李应福教授)在健康科学系开展工作,
2021
年
1
月加入哈尔滨工业大学(深圳)理学院,博导。研究方向为新型定向组装功能纳米材料的构筑及其在柔性多功能电子器件的应用探索,以合作作者身份在国际专业类知名杂志上发表
SCI
论文共
70
余篇,
Google Scholar
引用
5000
余次,
H-index 36
,其中以第一作者或共同一作身份发表论文
30
余篇,包括
Nature Protocol, Nature Communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition
和
ACS Nano
等杂志。
课题组主页:
http://www.hesisilab-hit.com/
范修林
研究员
目前为浙江大学
百人计划
研究员,博士生导师。分别于
2007
年和
2012
年在浙江大学取得本科和博士学位(导师为
陈立新
教授),
2013-2017
年在马里兰大学从事博士后研究(合作导师为王春生教授),
2017
年
4
月晋升为研究科学家。
2019
年入选国家级青年人才计划,同年
8
月加入浙江大学材料科学与工程学院担任“百人计划”研究员。主要从事二次电池(包括锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池等)等能源存储器件的界面工程及相关电解液
/
电解质的设计研究,在
Nature,
Science, Nature Nanotech., Nature Mater., Nature Energy
等期刊发表
SCI
论文
150
余篇
,
引用次数
>30000, h-index=88
,
i10-index=184
。连续多年入选科睿唯安
(
Clarivate
)
全球高被引科学家,入选
2020
年中国新锐科技人物。 研究成果先后被
Nature,
Science,
Nature Mater.,
Nature Nanotech.,
Nature Energy,
C&EN,
Science Daily,
Engineering 360, TechXplore, R&Dmag
,人民网
等国际顶级期刊和国际、国内知名媒体报道,受到广泛关注。
【理论模拟】
张越宇
副研究员
目国科温州研究院副研究员。
2012
年起就读于复旦大学物理系理论物理专业并于
2017
年获得博士学位。
2017-2020
年在苏黎世联邦理工做博士后,
2020-2021
年在帝国理工做博士后。主要从事逆向材料设计及平衡态统计物理等方面的工作。第一
(
并列
)
作者发表
Advanced Materials 2
篇,以除导师外唯一的理论计算作者发表
Nature Chemistry
一篇,以第二作者发表
PNAS
、
JACS
、
Nano Lett.(2)
、
ACS Nano(2)
等。被
Nature Review Materials
、
Chemical Reviews
等顶级期刊亮点评述或大段引用报道,总引用超过
1600
次。一篇文章获
IOP
前
1%
被引奖。个人获
Elsevier
授予的
2020
年度
Rising Star
奖。
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