南开大学牛志强Adv. Mater.:规模化组装高度可拉伸、可编辑和可定制功能的柔性超薄一体化锌离子电池

【引言】

近年来，柔性和可穿戴电子设备的蓬勃发展促使其储能设备朝着柔性、超薄、集成甚至可穿戴的方向发展。在各种储能系统中，水系锌离子电池（ZIBs）具有安全性高、组装工艺简单、水系电解质离子电导率高等优点，在柔性储能领域具有广泛的发展前景。 高柔性ZIBs的成功制造主要取决于柔性组件的制备以及简化和集成器件结构的设计。近年来，柔性ZIBs的开发已取得很大进展。然而，目前大多数柔性ZIBs仍采用常规组分且被组装成传统的“三明治”叠层结构。由于叠层结构各组件间简单的物理接触，这些柔性ZIBs在外部变形下易发生相邻组件的相对分离，导致一些关键组件甚至整个器件结构的破坏，从而严重影响其电化学性能。此外，叠层ZIBs的复杂结构限制了它们与其他柔性电子设备的进一步集成。因此，发展具有非传统构型的柔性ZIBs势在必行。与传统的叠层组装相比，一体化设计可以将一个储能装置的所有组件集成为一个具有连续和无缝界面连接的一体化结构，不仅可以简化器件结构，还可以有效避免复杂形变下相邻组分层之间的相对位移或分离，确保连续有效的荷载和离子传递能力，从而具有良好的结构和电化学稳定性。目前，常见的柔性ZIBs正极一般通过在柔性导电基底上涂覆或沉积活性材料制备，相应的负极为商业化Zn箔。由于这些传统电极的使用，柔性超薄一体化结构在ZIBs中很难实现。因此，迫切需要开发一种能够实现具有超薄一体化结构的柔性ZIBs的新策略。

近日，南开大学牛志强教授（通讯作者）提出了一种可控集成策略，通过将多层涂布与辊压装配工艺相结合，实现一种柔性超薄一体化ZIBs规模化制备。这种独特的柔性一体化集成结构可以有效地避免相邻组件之间的相对位移或分离，以确保其在外部变形下仍具有连续有效的离子和/或荷载传递能力，从而表现出优异的结构和电化学稳定性。此外，该柔性超薄一体化ZIBs可以被裁剪和编辑成所需的形状和结构，进一步扩展了它们的可编辑、可拉伸和形状定制功能。更重要的是，该超薄一体化ZIBs可进一步与钙钛矿太阳能电池集成，以实现能量收集和存储集成系统。该工作为设计具有可拉伸、可编辑和可定制功能的其他柔性超薄一体化储能设备提供了一条途径。相关研究成果以“Scalable Assembly of Flexible Ultrathin All-in-One Zinc Ion Batteries with Highly Stretchable, Editable, and Customizable Functions”为题发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一、柔性超薄一体化ZIBs的制备过程

（a-c）超薄一体化ZIBs：组装流程图，横截面SEM图像，SEM元素分布图；

（d，e）大面积电极和器件的光学照片。

图二、不同结构ZIBs的力学和有限元模拟分析

（a）超薄一体化、叠层和厚一体化结构ZIBs以及相应组件的应力-应变曲线；

（b）超薄一体化ZIBs在弯曲状态下的FE模型；

（c）超薄一体化结构在不同弯曲状态下的最大应力与相应曲率半径关系曲线（有限元模型和解析计算结果）；

（d，e）厚一体化和叠层结构ZIBs在弯曲状态下的有限元模型。

图三、不同结构ZIBs的基本电化学性能

（a）超薄一体化ZIBs在0.1 mV s^-1扫速下的CV曲线；

（b-g）超薄一体化、叠层、厚一体化结构ZIBs的电化学性能。

图四、柔性一体化ZIBs的裁剪、编辑和形状定制功能

（a）裁剪前后一体化ZIBs的归一化容量；

（b）不同编辑模式ZIBs 的GCD曲线；

（c）32个ZIB单元编辑而成的 3D“灯笼”器件的点灯照片；

（d）可拉伸ZIBs的编辑示意图；

（e）具有不同编辑单元数的可拉伸ZIB的拉伸距离与放电容量；

（f）由八个ZIB单元编辑的可拉伸器件的点灯照片；

（g）线性裁剪示意图；

（h）线性裁剪ZIB在不同拉伸应变下的放电比容量；

（i）“熊猫剪纸”电源的点灯照片。

图五、PSM-ZIBs集成系统的性能

（a）PSM-ZIBs集成系统示意图；

（b）PSCs和PSM的电流密度-电压（J-V）曲线

（c，d）PSM-ZIBs中ZIBs部分的电压-时间曲线；

（e-g）PSM-ZIBs在不同状态下的光学照片：完全放电、完全充电和充电后点亮LED。

【小结】

综上所述，作者通过匀浆涂布结合辊压装配技术成功地开发了一种规模化组装策略来构建柔性超薄一体化ZIBs。其中，PANI/SWCNTs正极、PVA-Zn(CF₃SO₃)₂凝胶电解质和Zn/SWCNTs-RGO负极被集成为一个具有连续无缝界面连接的集成结构。这种超薄一体化集成结构不仅可以增强连续有效的荷载传递，还可以促进外部机械形变下的动力学过程，确保了良好的结构和电化学稳定性。此外，由于其独特的超薄一体化结构，该ZIBs可以被可控制地裁剪和编辑成任意形状和结构，扩展了其可拉伸、可编辑和可定制的功能。不仅如此，超薄一体化结构使ZIBs能够很容易地与PSM集成，以实现灵活的能量收集和存储集成设备。因此，这种高效且易于放大制备的组装方法将有助于设计其他具有超薄一体化结构的柔性能量存储器件，以实现与柔性和可穿戴电子设备的进一步集成。

文献链接：“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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