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Small綜述:柔性鋅離子電池的進展與挑戰(zhàn)

鉅大LARGE  |  點擊量:2547次  |  2019年06月08日  

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展,柔性顯示設(shè)備、健康監(jiān)護儀、電子傳感器和電子皮膚等可穿戴式/可植入電子器件的開發(fā)受到學術(shù)界及工業(yè)界越來越廣泛的關(guān)注。而發(fā)展柔性電子器件的最大挑戰(zhàn)之一是開發(fā)與之相適應(yīng)的柔、輕、薄且安全的便攜型儲能器件。目前,鋰離子電池廣泛應(yīng)用在便攜式電子設(shè)備中。然而由于地球上的鋰資源儲量有限,有機體系電池存在著嚴重的安全隱患,發(fā)展柔性鋰離子電池面臨著諸多困境。就這一點而言,開發(fā)更安全、廉價的新型柔性儲能體系變得更加具有吸引力。近年來,二次水系鋅離子電池(zincionbatteries,ZIBs)憑借其高安全性、易組裝、高容量、低成本、環(huán)境友好和鋅資源豐富等優(yōu)勢,在柔性儲能設(shè)備中具有巨大的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的堿性電池不同,ZIBs采用中性或弱酸性電解液,其儲能機理是以Zn2+作為載體的“搖椅式”電池,即通過Zn2+在鋅負極的溶解/沉積和Zn2+在正極的電化學嵌入/脫嵌,從而實現(xiàn)電能的可逆儲存與釋放。相比于傳統(tǒng)堿性Zn電池,ZIBs呈現(xiàn)出優(yōu)異的可充放性。近年來,ZIBs的研究成為多價金屬離子電池領(lǐng)域中倍受關(guān)注的熱點研究方向,并且已經(jīng)取得巨大進展,這些研究對下一代高性能鋅負極材料的復興起了巨大作用。然而,柔性ZIBs的開發(fā)還面臨著一系列科學和技術(shù)上的難題。首先,作為ZIBs的主要組成部分,正極材料存在著容量和壽命偏低等問題,ZIBs的正極材料未來的開發(fā)還有很大的提升空間。ZIBs的負極存在著枝晶生長(尤其在大電流下)和可逆欠佳等問題,而且水系ZIBs受限于水分解等因素,使得其面臨著電壓窗口偏窄等難題。此外,為了實現(xiàn)柔性ZIBs在柔性電子設(shè)備上的應(yīng)用,電解液的合理選擇和電池的設(shè)計組裝方式上還需多方面的考慮。

基于此,來自于中山大學盧錫洪教授等人以FlexibleZn-IonBatteries:RecentProgressesandChallenges為題在Small上發(fā)表綜述性文章。作者總結(jié)了近年來快速發(fā)展且具有良好應(yīng)用前景的水系ZIBs的最新代表性成果(電解液,電極材料,和器件組裝技術(shù)),為柔性ZIBs的設(shè)計和改進提供了全面的知識和參考。該綜述首先介紹了ZIBs的發(fā)展歷程,詳盡敘述了ZIBs的儲能機理,重點討論了鋅負極存在的問題以及現(xiàn)有的解決策略,特別總結(jié)了ZIBs正極材料的儲鋅機理的分類和最新成果。接著,該綜述進一步地總結(jié)了柔性ZIBs的設(shè)計與組裝,包括柔性正負極的設(shè)計、凝膠電解液和電池結(jié)構(gòu)設(shè)計。隨后,作者總結(jié)了柔性錳基、釩基、普魯士藍基和其他柔性ZIBs的最新研究進展,并對不同種類的正極材料的優(yōu)缺點進行了比較。最后,作者從柔性鋅離子的電解液、電極材料、電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面展望了ZIBs的未來發(fā)展方向與研究重點,并且對柔性ZIBs的商業(yè)化等問題進行了探討和展望

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