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水系堿性電池循環(huán)穩(wěn)定性和自愈合特性的研究

鉅大LARGE  |  點擊量:793次  |  2019年01月16日  

水系電池采用水作為電解質(zhì)溶劑,解決了易燃有機電解質(zhì)引起的安全問題,在柔性可穿戴電子領(lǐng)域受到研究者的重視。

哈工大在水系堿性電池循環(huán)穩(wěn)定性和自愈合特性上獲重大進展

近日,哈爾濱工業(yè)大學深圳校區(qū)柔性印刷電子技術(shù)研究中心、材料科學與工程學院黃燕教授在水系堿性電池循環(huán)穩(wěn)定性和自愈合特性上取得重大進展。研究成果分別發(fā)表于國際著名期刊《先進能源材料》(AdvancedEnergyMaterials影響因子:21.875)和《德國應用化學》(AngewanteChemieInternationalEdition影響因子:12.102)。論文題目分別為“Solid-StateRechargeableZn//NiCoandZn-airBatterieswithUltra-LongLifetimeandHighCapacity:theRoleofaSodiumPolyacrylateHydrogelElectrolyte”和“Anintrinsicallyself‐healingNiCo//Znrechargeablebatterybyself‐healableferric‐ion‐crosslinkingsodiumpolyacrylatehydrogelelectrolyte”。

哈工大在水系堿性電池循環(huán)穩(wěn)定性和自愈合特性上獲重大進展

但是,水系電池存在一定的弊端。一方面,其凝膠電解質(zhì)在電池充放電過程中易失水,使得離子導電率下降,電解質(zhì)成分偏析,容量劇減,最終導致電池循環(huán)穩(wěn)定性差;另一方面,在日常使用過程中,它們總是不可避免地受到各種變形和局部應力的影響,嚴重限制電池的壽命和可靠性,最終導致電子系統(tǒng)的故障。

針對上述問題,校區(qū)黃燕教授合成出新型聚丙烯酸鈉基水凝膠電解質(zhì)。

聚丙烯酸鈉與水分子間的高相互作用能量使其具有超保水特性,同時丙烯酸酯負電荷基團在負極表面形成類SEI膜有效抑制枝晶形成。采用該電解質(zhì)制備的柔性鎳鋅和鋅空氣電池都展現(xiàn)出了最長循環(huán)穩(wěn)定性能,循環(huán)次數(shù)/時間比目前所有文獻報道的結(jié)果高出8-40倍。

哈工大在水系堿性電池循環(huán)穩(wěn)定性和自愈合特性上獲重大進展

上欄:聚丙烯酸鈉水凝膠電解質(zhì)示意圖及柔性堿性鎳鋅(左)和鋅空電池(右)的循環(huán)穩(wěn)定性比較;下欄:本征自愈合堿性鎳鋅電池愈合前后圖;

此外,聚丙烯酸鈉水凝膠分子鏈通過鐵離子交聯(lián)以促進整體網(wǎng)絡的動態(tài)重建。這些非共價交聯(lián)在水凝膠被切斷時重新連接受損表面,為電池實現(xiàn)固有的自我恢復能力提供最終解決方案。因此,使用該水凝膠電解質(zhì)的鎳鋅電池可自主自愈,在4次斷裂/愈合循環(huán)后保留超過87%的容量。

黃燕教授的獨創(chuàng)性成果大大解決了水系堿性電池的循環(huán)穩(wěn)定性和本征自愈合問題,并且在這些指標上達到了一個新的高度。

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