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  可重復(fù)使用的水系鋅電池由于其卓越的安全性和低成本的特性，可作為下一代可穿戴能源存儲(chǔ)設(shè)備。近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的蒲雄課題組報(bào)道了一種以可脫嵌陰、陽(yáng)離子的聚苯胺（PANI）為正極材料的高性能雙離子鋅電池。作者設(shè)計(jì)了一種兩性離子水凝膠電解質(zhì)，得益于兩性離子單體中帶電基團(tuán)與反自由離子之間的強(qiáng)靜電相互作用，陰、陽(yáng)離子能形成互不干擾的輸運(yùn)通道。此外，作者通過(guò)調(diào)整水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的聚兩性離子含量來(lái)優(yōu)化離子電導(dǎo)率和力學(xué)性能。從電池性能來(lái)看，這種陰、陽(yáng)離子傳輸通道為鋅金屬陽(yáng)極帶來(lái)更加穩(wěn)定均勻的電鍍/剝離行為，同時(shí)促進(jìn)了陰、陽(yáng)離子在PANI正極中的脫嵌反應(yīng)。這些協(xié)同效應(yīng)使得Zn/PANI電池具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，在5 A g^-1電流密度下循環(huán)600次后，容量仍達(dá)102.5 mAh g^-1，容量保持率高達(dá)87.5%。此外，作者制備了固態(tài)的軟包電池，在彎折、針刺情況下仍能有效工作，體現(xiàn)出作為安全的柔性可穿戴儲(chǔ)能設(shè)備的應(yīng)用前景。相關(guān)研究工作以題為“High-performance dual-ion Zn batteries enabled by a polyzwitterionic hydrogel electrolyte with regulated anion/cation transport and suppressed Zn dendrite growth”發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Journal of Materials Chemistry A（IF=12.73）上。文章共同一作是博士生李隆偉和碩士生張藍(lán)雙。

圖1、ZIS-PVA水凝膠的制備與表征。（a）雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備示意圖。（b）不同ZIS含量水凝膠的斷裂強(qiáng)度與離子電導(dǎo)率。（c）ZIS-PVA和PVA水凝膠的耐溶脹和抗失水對(duì)比。（d）ZIS-PVA和PVA水凝膠在不同浸泡時(shí)間后的對(duì)比照片。（e）ZIS-PVA和PVA水凝膠在不同浸泡時(shí)間后的離子電導(dǎo)率。（f）ZIS-PVA和PVA水凝膠的電化學(xué)穩(wěn)定窗口對(duì)比。（g）ZIS-PVA水凝膠凍干后的SEM形貌表征。

圖2、Zn/PANI雙離子電池反應(yīng)機(jī)制。（a）PANI正極在充放電過(guò)程中的反應(yīng)原理。PANI/CC正極中特征元素（b）Cl 2p，（c）F 1s，和（d）Zn 2p在不同階段的XPS圖譜。（e）ZIS-PVA水凝膠電解質(zhì)在Zn/PANI雙離子電池中的作用示意圖。 

圖3、Zn/Zn對(duì)稱(chēng)電池性能。（a）以ZIS-PVA和PVA水凝膠為電解質(zhì)的對(duì)稱(chēng)電池在不同電流密度下的極化電壓。（b）以ZIS-PVA和PVA水凝膠為電解質(zhì)的對(duì)稱(chēng)電池在2.0 mA cm^-2電流密度下的電壓曲線(xiàn)。Zn電極在2.0 mA cm^-2電流密度下循環(huán)不同次數(shù)后的SEM形貌表征，（c和d）PVA水凝膠為電解質(zhì)分別循環(huán)5圈和30圈，（e和f）PVA水凝膠為電解質(zhì)分別循環(huán)5圈和30圈。Zn在不同電解質(zhì)（g）PVA，（h）ZIS-PVA中的沉積/剝離原理。

圖4、Zn/PANI紐扣電池電化學(xué)性能。（a）以ZIS-PVA和PVA水凝膠為電解質(zhì)的Zn/PANI電池的EIS譜圖，插圖為擬合等效電路圖。（b）Zn/ZIS-PVA/PANI電池在不同掃描速率下從0.5-1.5 V的CV曲線(xiàn)。（c）CV曲線(xiàn)中各氧化還原峰對(duì)應(yīng)的log（峰電流）與log（掃描速率）關(guān)系圖。（d）以ZIS-PVA和PVA水凝膠為電解質(zhì)的Zn/PANI電池的倍率性能對(duì)比。（e）Zn/ZIS-PVA/PANI電池在不同電流密度下從0.5-1.5 V的電壓-容量曲線(xiàn)。（f）Zn/ZIS-PVA/PANI電池在不同循環(huán)次數(shù)中從0.5-1.5 V的電壓-容量曲線(xiàn)。（g）以ZIS-PVA和PVA水凝膠為電解質(zhì)的Zn/PANI電池在5A g^-1電流密度下的循環(huán)性能。（h）本工作與已報(bào)道的一些水系新電池倍率性能對(duì)比。

圖5、Zn/PANI軟包電池性能。（a）軟包電池組裝示意圖。軟包電池為（b）商業(yè)電子手表和（c）80個(gè)并聯(lián)LED燈供電照片。軟包電池在1 A g^-1電流密度下，（d）不同彎折角度和（f）不同針刺次數(shù)下的循環(huán)性能。軟包電池在（e）彎折后為商業(yè)電子計(jì)算器供電以及在（g）針刺后為計(jì)步器供電的照片。

  論文信息：High-performance dual-ion Zn batteries enabled by a polyzwitterionic hydrogel electrolyte with regulated anion/cation transport and suppressed Zn dendrite growth

  Journal of Materials Chemistry A

  DOI: 10.1039/d1ta08127f

  Longwei Li#, Lanshuang Zhang#, Wenbin Guo, Caiyun Chang, Jing Wang, Zifeng Cong and Xiong Pu*

  https://doi.org/10.1039/d1ta08127f