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河南工大李晶晶/郑州轻大刘春森《Adv. Mater.》：首例全低共熔凝胶软电池 - 全电池自发自愈合、全向本征可拉伸

时间：2022-12-25 来源： 浏览：

河南工大李晶晶/郑州轻大刘春森《Adv. Mater.》：首例全低共熔凝胶软电池 - 全电池自发自愈合、全向本征可拉伸

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#低共熔凝胶 3 个
#锌离子电池 20 个
#自发自愈合 2 个
#全向本征可拉伸 2 个

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商用电池都是由刚性结构构成，难以满足柔性电子设备市场化过程中的需求。由于在材料设计和器件集成方面高度挑战性的要求，目前报道的柔性电池尚未实现全电池水平上的自发自愈性和全向本征可拉伸性。要实现这一设计需要同时开发五种自发自愈合和本征可拉伸的电池组分，包括正极、负极、电解质、隔膜和基底。使每一层均具备合适的机械性能，同时保持层级之间高效的电荷传输和稳定的电化学界面，是极具挑战性的。
近期，河南工业大学李晶晶博士和郑州轻工业大学刘春森教授合作，在 《 Advanced Materials 》 上发表了题为 “A Full-Device Autonomous Self-Healing Stretchable Soft Battery from Self-Bonded Eutectogels” 的论文。该论文提出了一种层间自键合的材料设计和器件组装策略，制备出首例全低共熔凝胶软电池（ AESB ）（ 图 1 ）。该电池每一层均由低共熔凝胶材料组成，在宽温度范围内（ –20 ~ 60 ℃ ）同时实现了全电池水平上的自发自愈合性和全向本征可拉伸性（ >1000% 面积应变）。无需任何外部刺激，电池在整体断裂的情况下可有效恢复其优异的机械和电化学性能，愈合后的电池仍能承受大于 500% 的拉伸。
图 1 . 全低共熔凝胶软电池（ AESB ）的设计构筑。
图 2. a) HSAH/PMAEDS SP-DN 低共熔凝胶电解质的设计与组装机理。其中球棍图为分子动力学模拟结果，揭示了 HSAH 网络 ( 红色 ) 和 PMAEDS 网络 ( 青色 ) 之间的潜在相互作用。 b) CLSM 图像揭示了 SP-DN 低共熔凝胶的结构：纤维状的 HSAH 网络 ( 红色 ) 被三维互连的 PMAEDS 网络 ( 绿色 ) 包围。 SP-DN 低共熔凝胶电解质的 c) 机械和 d) 电学性能的自愈性。 e) SP-DN 低共熔凝胶与对比水凝胶的耐温性。 f) 在环境条件下，被切割的 SP-DN 低共熔凝胶在 4 h 内自发自愈合，且愈合后的凝胶可承受 >500% 面积应变。 g) SP-DN 低共熔凝胶与最新的拉伸和 / 或自愈电解质的性能比较。 h) SP-DN 低共熔凝胶电解质和对比的 PMAEDS 水凝胶电解质在 Zn//Zn 对称电池中的恒电流镀锌 / 溶锌。插图 : 不同循环的放大图。 i) PMAEDS 水凝胶在其电池失效后的 Zn 金属负极以及 j) HSAH/PMAEDS SP-DN 低共熔凝胶在 Zn//Zn 对称电池经历 300 次充放电循环后锌负极的 SEM 图。
图 3. a) 低共熔凝胶正极和负极结构和组分示意图。 b) DES 、 HSAH 以及 PAAm 的化学结构。 c) 低共熔凝胶正极和负极的 SEM 图。 d) 低共熔凝胶电极的机械和 e) 电学性能方面的自愈性。 f) 低共熔凝胶电极与先前报道的自愈电极的拉伸性比较。 g) 低共熔凝胶正极和 h) 负极的自愈过程。
图 4. a) AESB 的各层结构示意图。光学图像显示了五层 AESB 的结构，它们通过自键合相互作用紧密结合在一起。 b) 五层 AESB 之间的界面粘附性。 c) 对应的粘附能数据。 d) AESB 在不同温度下的拉伸测试。 e) AESB 的全向本征拉伸性演示。 f) 打孔后的 AESB 的抗裂纹扩展性能。 g) 在不同面积应变下 AESB 的充放电性能以及 h) 循环性能。 i) AESB 在不同温度下的循环稳定性。
图 5. a) AESB 自愈过程示意图。五层界面上的动态非共价键可逆断裂和重组，使 AESB 在全电池水平上实现自发自愈合。 b) AESB 的机械自愈性。 c) AESB 自发的机械和电化学自愈性能。 d) 初始和自愈后的 AESB 在 0.1 A g −1 时的充放电性能。 e) 初始和自愈后 AESB 在 0.1 A g −1 时的循环性能。 f) AESB 在不同温度下的自愈性能。 g) 在 0.1 A g −1 的条件下， AESB 的重复自愈性。

原文链接

https://doi.org/10.1002/adma.202208392

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