2023-08-30
在能源危机和人类活动不断扩大的背景下，开发低温电池对于在寒冷条件下供电具有重要意义。锌空气电池由于其低成本和高能量密度的特点，被认为是克服传统电池缺点的潜在电池。凝胶电解质在低温锌基电池中得到了广泛的应用，其抗变形能力使其与柔性器件兼容。
课题组学生张玮淇制备了一种能用于柔性锌空气电池的碱化聚丙烯酸（A-PAA）凝胶电解质，并通过引入十二烷基硫酸钠(SDS)，提高了电池在20℃下的循环稳定性和比容量。该工作成功制备了适用于低温锌空气电池的A-PAA凝胶，探讨了SDS与凝胶的相容性及其在低温电池中的改善效果。结果表明，SDS能抑制电极上副产物的形成，减少锌电极的腐蚀，从而提高电池性能，延长电池寿命。在加入SDS后，锌空电池初始充电极化减少，同时有较高的放电电压和容量。经优化的电解液组装的柔性低温锌空电池在-20℃下可稳定工作200 h以上，并且可以支持小型电子设备，这都证明其在生产和生活中的实际应用潜力。本项成果有利于推动有关于传统的电解质添加剂在寒冷条件下的适用性的研究。
研究成果以“Gel Electrolyte with Sodium Dodecyl Sulfate Additive for Low-temperature Zinc-air Battery”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。
研究成果简介：
1.含KOH的A-PAA凝胶结构和基本物理性能表征
图1. a)自由基聚合法制备A-PAA凝胶示意图。b) A-PAA凝胶在室温和-20℃保存后的拉伸情况。c) A-PAA凝胶的FT-IR光谱。d)含KOH溶液的A-PAA凝胶结构示意图。e) KOH浸泡后的A-PAA凝胶。f)室温和-20℃下A-PAA凝胶的电解质保水率。g)不同浓度KOH溶液下A-PAA凝胶的DSC图。
2. A-PAA凝胶电解质物理性能表征和组装的锌空电池循环性能
图2. a)组装的锌空电池示意图及照片。b)不同浓度KOH溶液对A-PAA凝胶离子电导率的影响。c)不同浓度KOH溶液下A-PAA凝胶的拉曼光谱。锌空电池在d) 25℃和e) -20℃条件下的恒流放电/充电循环试验。
3. SDS添加剂对锌负极表面和电池的改善效果
图3. a) b) 40 wt% KOH A-PAA凝胶电解质和c) d) 40 wt% KOH + 0.2 mM SDS A-PAA凝胶电解质失效锌空电池中锌电极的SEM图像和EDS结果。e) 40 wt% KOH A-PAA凝胶电解质和40 wt% KOH + 0.2 mM SDS A-PAA凝胶电解质失效锌空电池中锌电极的XRD谱图。以Co3O4为催化剂，以40 wt% KOH + 0.2 mM SDS A-PAA凝胶电解质和40 wt% KOH + 0.2 mM SDS A-PAA凝胶电解质为催化剂的失效锌空电池正极表面SEM图像。h)不同A-PAA凝胶电解质下锌空电池的恒流充放电循环。
4. 添加了SDS的A-PAA电解质所组装的锌空电池性能
图4. a) 40 wt%和40 wt% KOH + 0.2 mM SDS A-PAA凝胶电解质下锌空电池的充电和放电极化曲线。c)不同A-PAA凝胶电解质锌空电池的EIS谱。d)不同电流密度下不同A-PAA凝胶电解质锌空电池放电电压。e)不同A-PAA凝胶电解质的锌空电池在不同温度下放电容量图。f) 锌空电池与40 wt% KOH + 0.2 mM SDS A-PAA凝胶电解质在不同温度下的循环曲线。
5. 所组装的锌空电池的实际应用
图5. 在-20℃下组装的锌空电池不同变形状态下点亮LED灯珠:a)平整b)弯曲;C)折叠(左)和扭转(右)。d)柔性锌空电池在不同变形状态下的循环曲线。e)在-20℃下，锌空电池可以支持柔性手环工作。f)用于大尺寸锌空电池的A-PAA凝胶。g)在-20℃下，各种变形状态下的柔性锌空电池给计时器供电:弯曲、折叠、扭曲(从左到右)。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c05075
