南開大學牛志強Adv. Mater.:規模化組裝高度可拉伸、可編輯和可定制功能的柔性超薄一體化鋅離子電池

【引言】

近年來，柔性和可穿戴電子設備的蓬勃發展促使其儲能設備朝著柔性、超薄、集成甚至可穿戴的方向發展。在各種儲能系統中，水系鋅離子電池（ZIBs）具有安全性高、組裝工藝簡單、水系電解質離子電導率高等優點，在柔性儲能領域具有廣泛的發展前景。 高柔性ZIBs的成功制造主要取決于柔性組件的制備以及簡化和集成器件結構的設計。近年來，柔性ZIBs的開發已取得很大進展。然而，目前大多數柔性ZIBs仍采用常規組分且被組裝成傳統的“三明治”疊層結構。由于疊層結構各組件間簡單的物理接觸，這些柔性ZIBs在外部變形下易發生相鄰組件的相對分離，導致一些關鍵組件甚至整個器件結構的破壞，從而嚴重影響其電化學性能。此外，疊層ZIBs的復雜結構限制了它們與其他柔性電子設備的進一步集成。因此，發展具有非傳統構型的柔性ZIBs勢在必行。與傳統的疊層組裝相比，一體化設計可以將一個儲能裝置的所有組件集成為一個具有連續和無縫界面連接的一體化結構，不僅可以簡化器件結構，還可以有效避免復雜形變下相鄰組分層之間的相對位移或分離，確保連續有效的荷載和離子傳遞能力，從而具有良好的結構和電化學穩定性。目前，常見的柔性ZIBs正極一般通過在柔性導電基底上涂覆或沉積活性材料制備，相應的負極為商業化Zn箔。由于這些傳統電極的使用，柔性超薄一體化結構在ZIBs中很難實現。因此，迫切需要開發一種能夠實現具有超薄一體化結構的柔性ZIBs的新策略。

近日，南開大學牛志強教授（通訊作者）提出了一種可控集成策略，通過將多層涂布與輥壓裝配工藝相結合，實現一種柔性超薄一體化ZIBs規模化制備。這種獨特的柔性一體化集成結構可以有效地避免相鄰組件之間的相對位移或分離，以確保其在外部變形下仍具有連續有效的離子和/或荷載傳遞能力，從而表現出優異的結構和電化學穩定性。此外，該柔性超薄一體化ZIBs可以被裁剪和編輯成所需的形狀和結構，進一步擴展了它們的可編輯、可拉伸和形狀定制功能。更重要的是，該超薄一體化ZIBs可進一步與鈣鈦礦太陽能電池集成，以實現能量收集和存儲集成系統。該工作為設計具有可拉伸、可編輯和可定制功能的其他柔性超薄一體化儲能設備提供了一條途徑。相關研究成果以“Scalable Assembly of Flexible Ultrathin All-in-One Zinc?Ion Batteries with Highly Stretchable, Editable, and Customizable Functions”為題發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、柔性超薄一體化ZIBs的制備過程

（a-c）超薄一體化ZIBs：組裝流程圖，橫截面SEM圖像，SEM元素分布圖；

（d，e）大面積電極和器件的光學照片。

圖二、不同結構ZIBs的力學和有限元模擬分析

（a）超薄一體化、疊層和厚一體化結構ZIBs以及相應組件的應力-應變曲線；

（b）超薄一體化ZIBs在彎曲狀態下的FE模型；

（c）超薄一體化結構在不同彎曲狀態下的最大應力與相應曲率半徑關系曲線（有限元模型和解析計算結果）；

（d，e）厚一體化和疊層結構ZIBs在彎曲狀態下的有限元模型。

圖三、不同結構ZIBs的基本電化學性能

（a）超薄一體化ZIBs在0.1 mV s^-1掃速下的CV曲線；

（b-g）超薄一體化、疊層、厚一體化結構ZIBs的電化學性能。

圖四、柔性一體化ZIBs的裁剪、編輯和形狀定制功能

（a）裁剪前后一體化ZIBs的歸一化容量；

（b）不同編輯模式ZIBs 的GCD曲線；

（c）32個ZIB單元編輯而成的 3D“燈籠”器件的點燈照片；

（d）可拉伸ZIBs的編輯示意圖；

（e）具有不同編輯單元數的可拉伸ZIB的拉伸距離與放電容量；

（f）由八個ZIB單元編輯的可拉伸器件的點燈照片；

（g）線性裁剪示意圖；

（h）線性裁剪ZIB在不同拉伸應變下的放電比容量；

（i）“熊貓剪紙”電源的點燈照片。

圖五、PSM-ZIBs集成系統的性能

（a）PSM-ZIBs集成系統示意圖；

（b）PSCs和PSM的電流密度-電壓（J-V）曲線

（c，d）PSM-ZIBs中ZIBs部分的電壓-時間曲線；

（e-g）PSM-ZIBs在不同狀態下的光學照片：完全放電、完全充電和充電后點亮LED。

【小結】

綜上所述，作者通過勻漿涂布結合輥壓裝配技術成功地開發了一種規模化組裝策略來構建柔性超薄一體化ZIBs。其中，PANI/SWCNTs正極、PVA-Zn(CF₃SO₃)₂凝膠電解質和Zn/SWCNTs-RGO負極被集成為一個具有連續無縫界面連接的集成結構。這種超薄一體化集成結構不僅可以增強連續有效的荷載傳遞，還可以促進外部機械形變下的動力學過程，確保了良好的結構和電化學穩定性。此外，由于其獨特的超薄一體化結構，該ZIBs可以被可控制地裁剪和編輯成任意形狀和結構，擴展了其可拉伸、可編輯和可定制的功能。不僅如此，超薄一體化結構使ZIBs能夠很容易地與PSM集成，以實現靈活的能量收集和存儲集成設備。因此，這種高效且易于放大制備的組裝方法將有助于設計其他具有超薄一體化結構的柔性能量存儲器件，以實現與柔性和可穿戴電子設備的進一步集成。

文獻鏈接：“Scalable Assembly of Flexible Ultrathin All-in-One Zinc?Ion Batteries with Highly Stretchable, Editable, and Customizable Functions”(Adv. Mater.，2021，10.1002/adma.202008140)

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