山东大学《 Energy Fuels》：基于石墨烯的复合凝胶聚合物电解质，可提高柔性锌空气电池电导率，实现长循环寿命

成果简介

柔性锌空气电池（ZAB）中的凝胶聚合物电解质（GPE）要求具有出色的保水性、离子传导性和伸展性。然而，锌空气电池中使用的一些凝胶聚合物电解质面临着电解质蒸发和循环寿命短等问题。本文，山东大学李虎教授团队、南京工业大学芮琨 副教授、中国科学院上海硅酸盐研究所鹿燕 研究员等在《Energy Fuels》期刊发表名为“Graphene Oxide Nanoribbon-Based Composite Gel Polymer Electrolytes: Enhancing Mechanical Strength and Ionic Conductivity for Long Cycling Lifetime of Flexible Zinc–Air Batteries”的论文，研究开发了一种基于聚丙烯酸钠的 GPE，将氧化石墨烯纳米带（GONR）和纤维素纳米纤维（CNF）结合在一起，用于可充电 ZAB。

这促进了氢键的形成，从而形成离子导电通道，提高了离子导电性和 ZAB 性能。GPE 具有出色的保水性和拉伸性，离子导电率达到 268.2 mS cm-¹。它的拉伸长度可达其长度的 20.4 倍，可调节的形状、机械强度和 GONR 灵活性使其成为储能的理想候选材料。采用这种 GPE 的可充电夹层式 ZAB 在 2 mA^cm-2条件下的循环寿命超过 323 小时，放电功率密度为 90.7 mW^cm-2。电缆型全固态 ZAB 电池的能量密度达到 87.8 mW cm-²，并具有很高的灵活性，突出了可穿戴能源应用的潜力。

图文导读

图1。PANa/CNF/GONR凝胶电解质的合成与表征

图2:（a） GPE的保水能力和（b）液体电解质吸收能力。（c） 差示扫描量热-热重分析（DSC-TGA）曲线、（d）阻抗测试、（e）离子电导率和（f）PANa/CNF、PANa/CNF/GO和PANa/CNF/GONR水凝胶的拉伸应力-应变曲线。

图3。（a） 基于不同GPE的ZAB在2 mA cm–2下的恒电流充放电循环。（b） 2 mA cm–2和（c）不同电流密度下恒定电流下的放电曲线。（d） 充放电极化曲线和（e）相应的功率密度。

图4。（a） ZAB夹层结构示意图。ZAB在（b）平坦条件和（c）弯曲条件下为风扇供电的演示。（d） 2 mA cm–2下单个和两个串联ZAB的恒电流充放电循环。（e） 具有切断和剪切功能的串联ZAB可以重新连接，以恢复为LED面板供电。（f） 三个串联ZAB的光学照片可以用于给手机充电。

图5。（a） GPE的全固态电缆型柔性ZAB组装和涂层工艺示意图。（b） 基于PANa/CNF/GONR电解质的ZAB型电缆的电压。（c） 电缆型ZAB在不同条件下的恒电流放电和充电曲线。（d） 电缆类型ZAB在各种弯曲和扭曲条件下的照片。（e） 不同电流密度下的放电曲线和（f）2 mA cm–2下的恒定电流。（g） 充放电极化曲线和相应的功率密度。

小结

在此，本研究提出了一种用于柔性ZAB的新型GPE，由PANa、CNF和GONR组成。结果表明，将具有独特物理性能和电化学稳定性的GONR整合到由PANa和CNF组成的双网络凝胶中，显著提高了GPE的电学和力学性能，从而提高了ZABs的整体性能。GPE表现出良好的稳定性、吸水性、保水性和机械强度，非常适合柔性储能应用。随后，组装良好的基于PANa/CNF/GONR的柔性ZAB显示出显著的功率密度（90.7 mW cm–2）和长期循环寿命（323小时）。夹层式ZAB即使在弯曲和剪切等极端条件下也能为电风扇提供不间断的电源，在实际应用中表现出可扩展性。此外，基于 PANa/CNF/GONR GPE 的电缆型 ZAB 在极端工作条件下表现出高可靠性，并且在集成到各种柔性和可穿戴电子设备中时表现出卓越的可扩展性。

文献：https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.3c05007