Adv. Funct. Mater.報道：可穿戴動力紡織品用于可縫制、編織和清洗的水系纖維-鋅電池

【背景介紹】

基于紡織品的可穿戴電子設備的快速發展，對具有舒適性和耐用性的柔性、可拉伸和高性能電源提出了高要求。其中，纖維狀的水系鋅（Zn）基電池具有高比容量（825 mA h g^-1）、材料豐富、鋅負極成本低等優點，作為可穿戴電子設備的一種能量存儲技術而受到廣泛關注。但是，功能性纖維的可制造性及其整合進紡織品中仍面臨許多挑戰。此外，缺乏高容量、穩定的正極材料進一步阻礙了纖維狀水系Zn電池（AZBs）的發展。現有無機化合物具有昂貴或有毒的成分，違反了可持續和綠色發展的要求。雖然有機正極材料具有價格便宜、毒性低、結構設計合理等優點，但是其比容量和循環穩定性仍需要進一步提高。因此，開發具有高容量和良好的循環穩定性的低毒性、高安全性和低溶解度的有機材料仍面臨挑戰。

【成果簡介】

近日，中國工程物理研究院的王斌研究員和程建麗博士（共同通訊作者）等人報道了一種同時利用富醌的聚多巴胺（PDA）作為有機氧化還原活性正極和碳基材上的納米粘合劑的協同界面設計，開發出了可編織、可縫合和可洗滌的水系Zn電池（AZBs）型動力纖維。通過去除可溶性單體或低聚物,并提高醌基的比例，PDA聚合物作為AZBs中的有機氧化還原活性正極，可以提供較高的放電比容量（在50 mA g^-1時為372.3 mA h g^-1，和1000 mA g^-1時為100.5 mA h g^-1）、長期循環穩定性以及高容量保持率（在1700次循環后為80％，在3500次循環后為60％）。此外，通過將纖維電極直接用作縫紉機和織機的線來制備具有定制樣式的動力紡織品。其中，縫合或機織的動力紡織品顯示出穩定的電化學性能，即使在洗滌3 h后，也可以在不同的彎曲條件下為各種電子設備提供動力。總之，該工作為大規模生產高性能AZBs提供了巨大的潛力，可用于下一代可穿戴能量存儲設備。研究成果以題為“Bioinspired Interface Design of Sewable, Weavable, and Washable Fiber Zinc Batteries for Wearable Power Textiles”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、涂覆PDA的碳納米管纖維（PCNF）的制備與表征
（a）PCNF的合成過程和基于柔性AZBs的紡織品的制造過程示意圖；

（b-c）在不同放大倍數下，PCNF的SEM圖像；

（d）CNF和PCNF的FTIR光譜；

（e-h）在不同變形條件下，PCNF的高靈活性的照片；

（i）CNF和PCNF的應力-應變曲線。

圖二、不同熱處理下的PCNF電極的耐電解質溶解性和電化學性能
（a-b）將PCNF、PCNF-100、PCNF-200、PCNF-300、PCNF-350樣品浸入72 h后，對新制的DA溶液和3 M Zn(CF₃SO₃)₂電解質溶液進行溶出度比較的照片和UV-vis光譜分析；

（c-d）電流密度為1000 mA g^-1時，比較電極的倍率性能和循環性能。

圖三、PCNF-300電極的性能測試
（a）PCNF-300電極在0.2-1 mV s^-1間的各種掃描速率下的CV曲線；

（b）正極和分極峰值處log(i)和log(v)之間的線性擬合；

（c）在0.6 mV s^-1的掃描速率對電荷存儲的電容和擴散控制貢獻；

（d）在不同掃描速率下，電容和擴散控制過程的電容貢獻；

（e）在不同電化學狀態下，PCNF-300電極的異位FTIR表征；

（f）在不同電化學狀態下，PCNF-300的O 1s的XPS光譜。

圖四、基于纖維狀AZBs的機織強力織物的性能
（a）縫紉機及其針跡示意圖；

（b）電流密度為1000 mA g^-1時，在各種彎曲狀態下的循環穩定性；

（c）縫制動力紡織品在電流密度為1000 mA g^-1且彎曲角度為180°時的長期循環穩定性；

（d）動力紡織品演示為商業溫度計提供動力的數碼照片；

（e-f）從左至右量身定制“叉指電極”的動力紡織品圖案；

（g）編織電池組合到毛衣中，并作為變形狀態不同LED波段供電的電源；

（h）在洗滌3 h前后，演示動力紡織品為溫濕度計供電。

【小結】

綜上所述，作者同時展示了富醌PDA作為有機氧化還原活性正極和納米結合劑在可穿戴Zn電池碳基上的界面設計。通過去除可溶性雜質和提高活性醌基團比例，大大提高優化后的PDA衍生物材料的Zn²⁺儲存能力。所制備的功率纖維在50 mA g^-1時顯示出372.3 mA h g^-1的高比容量，并具有出色的循環穩定性，在1000 mA g^-1時經過1700次循環后，容量保持率仍可達到80％。通過使用商業編織機和織機將柔性纖維電極縫制到織物中，可以直接制備具有定制樣式的功能紡織品作為導電碳基材。動力紡織品具有穩定的功率輸出，無論是在不同條件下的彎曲還是清洗后都可為各種電子設備供電。基于PDA的電源適配器對商用機器的適應性使其有可能實現大規模生產和商業應用。總之，可編織、縫合和洗滌的功率纖維和紡織品的制造有望將可穿戴能量存儲裝置潛在地應用于實際的可穿戴電子設備中。

文獻鏈接：Bioinspired Interface Design of Sewable, Weavable, and Washable Fiber Zinc Batteries for Wearable Power Textiles（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202004430）

本文由CQR編譯。

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