可穿戴电子市场的快速扩张，推动了对柔性储能设备的需求。目前，设计具有高安全性和良好机械耐久性的高性能柔性电池仍然存在挑战。为此，我们开发了一种用于先进可穿戴锌离子电池的无浸泡自愈水凝胶电解质。在水凝胶制备过程中，引入Zn
2+
作为交联剂，触发双网络结构的形成。同时，Zn
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可以在电池运行过程中直接作为电荷载体，避免了传统的浸泡过程，这有助于解决锌负极的问题。在应用于Zn/PANI电池后，该功能水凝胶在3 A g
−1
下保证了2000次的长循环寿命，容量保持率为94.6%。此外，由于其超分子相互作用，该水凝胶具有良好的自修复性，这使其具有实用性。当组装成Zn/PANI袋式电池时，它在恶劣的环境下保持稳定的能量输出，如压、折、挤、扭、穿、锤。该研究为下一代可穿戴锌基电池构建无浸泡和自修复水凝胶提供了指导。
可穿戴电子市场的快速扩张，推动了对柔性储能设备的需求。目前，设计具有高安全性和良好机械耐久性的高性能柔性电池仍然存在挑战。
为此，华南师范大学舒东教授团队开发了一种用于先进可穿戴锌离子电池 (ZIB) 的免浸泡自修复水凝胶电解质。
在水凝胶制备过程中，引入Zn
2+
作为交联剂，触发双网络结构的形成。同时，Zn
2+
可以在电池运行过程中直接作为电荷载体，避免了传统的浸泡过程，这有助于解决锌负极的问题。在应用于Zn/PANI电池后，该功能水凝胶在3 A g
−1
下保证了2000次的长循环寿命，容量保持率为94.6%。
此外，由于其超分子相互作用，该水凝胶具有良好的自修复性，这使其具有实用性。当组装成Zn/PANI袋式电池时，它在恶劣的环境下保持稳定的能量输出，如压、折、挤、扭、穿、锤。该研究为下一代可穿戴锌基电池构建无浸泡自修复水凝胶提供了指导。其成果以题为 “Soaking-free and self-healing hydrogel for wearable zinc-ion batteries” 在国际期刊
Chemical Engineering Journal
上发表。
图1.
a) Zn
2+
-CS/PAAM水凝胶的制备过程示意图。b) Zn
2+
-CS/PAAM的应力-应变曲线。c) Zn
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-CS/PAAM水凝胶完全卸载状态(上)和应变状态(下)的光学图像。d) Zn
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-CS/PAAM水凝胶在不同状态，压缩前、压缩中、释放后的光学图像，显示其在压力下优异的柔性。e) 重量为26.4 g的Zn
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-CS/PAAM水凝胶可以举起比自身重量(683.0 g)高25.9倍的不锈钢。
图2.
Zn
2+
-CS/PAAM水凝胶和锌电极的物理特性。a) 冷冻干燥的Zn
2+
-CS/PAAM水凝胶的扫描电子显微镜图像。b) 冻干PAAM水凝胶的扫描电子显微镜图像。c) Zn
2+
-CS/PAAM的厚度测量。d)以Zn
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-CS/PAAM为电解液组装的不锈钢对称电池的奈奎斯特曲线，在100 kHz到1 Hz的频率范围内进行测试。e) Zn
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-CS/PAAM和CS的FTIR光谱。在5 mA cm
−1
的电流密度下，测量了不同电解液对锌/铜电池库仑效率的影响。h) 在不同电解液中循环20次后从电池中剥离的锌电极的光学图像(左：ZnSO
4
；右：Zn
2+
-CS/PAAM水凝胶)。i) 锌电极在不同电解液中循环20次后的XRD。
图3.
电化学表征。采用a) Zn
2+
-CS/PAAM和b)ZnSO
4
不同电解液，在电流密度为0.5 mA cm
-2
的锌/锌对称电池中进行恒电流镀锌/脱锌。c) Zn/PANI电池在5 mV s
−1
下CV曲线。d)不同电解液下Zn/PANI硬币电池在3 A g
−1
下的循环稳定性。e) 使用ZnSO
4
和Zn
2+
-CS/PAAM组装的Zn/PANI电池在1-5 A g
−1
范围内的倍率性能f-g) 在1-5 A g
−1
条件下电池的GCD曲线：h) Zn/PANI电池在1A g
−1
下的充放电曲线。i) Zn/PANI电池在1A g
−1
下的循环稳定性。
图4.
水凝胶的自愈特性。a)Zn
2+
-CS/PAAM水凝胶自愈合过程的数字图像。b) 数字图像显示电路与水凝胶连接自愈前后LED的亮度变化。c) 袋式电池穿孔前后LED成功点亮的数字图像。d) 袋式电池自愈前后的放电曲线。e) 在1 A g
−1
下自愈的袋式电池的循环性能f)由穿孔电池供电的LED的工作状态。g) 灵活的ZIB在袋式电池被刺穿前后为可穿戴电子手表供电。
图5.
Zn
2+
-CS/PAAM的柔韧性和抗动态变形稳定性。a) 动态按压下记录电池的放电曲线。b) 记录电池在动态挤压下的放电曲线。c) 动态折压下记录电池的放电曲线。d) 电池在动态折叠下的放电曲线。e) 电池在动态扭转下的放电曲线。f) 电池在动态锤击下的放电曲线。g) 柔性ZIB在各种动态变形下成功地为LED供电，包括按压、折叠、弯曲、锤击和扭转。
Yiqin Liu, Aimei Gao, Junnan Hao, Xiaolong Li, Jingzhou Ling, Fenyun Yi, Qizhi Li, Dong Shu*, Soaking-free and self-healing hydrogel for wearable zinc-ion batteries, Chemical Engineering Journal（2022）
https://authors.elsevier.com/sd/article/S1385-8947(22)05084-7
第一作者：
刘仪勤，华南师范大学2020级物理化学专业硕士研究生
通讯作者：
舒东
，博士，教授，博士生导师。1997.7年毕业于厦门大学并获得理学博士学位，导师为时任校长林祖赓教授。2000年-2002年在韩国延世大学从事博士后研究，2003年-2005年在中山大学博士后流动站从事研究。2005年9月起在华南师范大学工作同年被评为教授。广东省新能源材料与器件专业实验教学示范中心负责人，材料科学与工程硕士点、新能源材料与器件本科专业负责人。长期从事化学电源包括超级电容器、锂离子电池、燃料电池、铅酸电池及其相关电池材料的应用基础研究。主持国家自然科学基金面上项目、国家高技术研究发展计划（863 计划）子项目及其他国家、省部及企业项目40余项。截至到2022年10月，在Advanced Energy Materials、Energy Storage Materials、Coordination Chemistry Reviews 、Small、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Power Source、carbon、Electrochimica Acta国内外学术期刊上发表学术论文187篇，其中被SCI收录151篇，申请国家专利35项,其中发明专利31项，专利中26项获得授权，其中发明专利授权22项，第一发明人授权发明专利15项。多次应邀在国际学术大会上作学术报告。曾获2007年国家教育部科技进步二等奖，2007年广东省环境保护局颁发的环境保护科学技术奖一等奖。广东省材料研究学会理事暨能源与生态环境材料及其应用专业委员会委员，《功能材料》编辑委员会委员，中国仪表功能材料学会“储能与动力电源及其材料专业委员会”委员，中国化学会高级会员、中国物理与化学电源协会、中国材料学会、中国化工学会化工新材料委员会会员，Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Power Source、Electrochimica Acta等杂志审稿人。
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