讓夢想照進現(xiàn)實，你是否還在忍受手機沒電卻又不想帶充電寶的苦惱？最新Nature研究證明通過身上的衣服，就可對手機進行無線充電，這項研究就來自復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系彭慧勝教授領(lǐng)銜的科研團隊。
自今年3月10日起至今這短短不到半年的時間，彭慧勝教授已連續(xù)發(fā)表兩篇Nature正刊，可謂是成果斐然！
在3月10日的文章中[1]，彭慧勝教授、陳培寧副研究員等人采用全新的材料設(shè)計方案，報告了一種6 m長，25cm寬的紡織顯示器，包含5×105個電致發(fā)光單元，間隔約800微米。紡織品彎曲，拉伸或壓制時，電致發(fā)光單元之間的亮度偏差也小于8％，并保持穩(wěn)定。展示的紡織品柔軟透氣，經(jīng)得起反復(fù)機洗，適合實際應(yīng)用。這種集成紡織系統(tǒng)可以用作通信工具，在包括醫(yī)療保健在內(nèi)的各個領(lǐng)域的“物聯(lián)網(wǎng)”中具有巨大潛力。
在9月1日文章中[2]，彭慧勝教授、陳培寧副研究員等人又發(fā)現(xiàn)了纖維內(nèi)阻與長度的雙曲余切函數(shù)關(guān)系，并通過優(yōu)化的可擴展工業(yè)流程生產(chǎn)了數(shù)米的高性能纖維鋰離子電池。能量密度為85.69 Wh/kg，其容量保持率在500次充放電循環(huán)后達到 90.5%，在 1C 倍率下達到 93%（vs 0.1C），可與軟包電池等商業(yè)電池相媲美。光纖彎曲 100,000 次循環(huán)后仍可保持80%以上的容量。可以說，衣服充電不是夢！
彭慧勝，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系教授和系主任、國家杰出青年基金獲得者、長江學(xué)者特聘教授、國家有突出貢獻中青年專家、國家重點研發(fā)計劃首席科學(xué)家。主要在高分子纖維器件領(lǐng)域開展研究工作，創(chuàng)制了多尺度螺旋復(fù)合纖維，揭示了電荷在高曲率纖維表界面快速分離與傳輸?shù)臋C制，提出了纖維電子器件的設(shè)計思想，賦予纖維發(fā)電、儲能等全新功能，提出了高分子纖維電子新方向。在Nature/Nature子刊/Nature Commun./JACS/Angew/AM/ Phys. Rev. Lett.等期刊上發(fā)表300多篇論文，SCI他引2萬多次，H指數(shù)85，2018年起連續(xù)入選科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”。作為第一完成人，獲得2019年度國家自然科學(xué)二等獎。課題組主頁：http://fiber.fudan.edu.cn/
此外，彭教授在儲能器件領(lǐng)域也頗有造詣，最近Nature發(fā)表僅僅4天后，9月5日國際頂級期刊Advanced Functional Materials又在線發(fā)表了有關(guān)鋅離子電池的最新成果[3]。
鋅（Zn）金屬由于其高容量、低氧化還原電位、豐富的儲量和低成本被認為是“后鋰”時代有前途的負極。然而，目前的鋅電池負極利用率低，設(shè)備級能量/功率密度遠低于理論值。Zn 金屬的有限可逆性歸因于Zn與水系電解液的自發(fā)寄生反應(yīng)，即水腐蝕、鈍化副產(chǎn)物形成和枝晶生長。
在此，彭慧勝教授與南京大學(xué)張曄副教授（共同通訊）等人聯(lián)合設(shè)計了一種涂覆在Zn負極上的新型離子選擇性聚合物膠，可通過阻止水的擴散將Zn負極與電解液隔離，同時允許Zn2+ 快速遷移并促進均勻的電沉積。因此，改性的Zn負極在高電流密度下實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的90%的鋅利用率且循環(huán)達1000小時，與報道的較低鋅利用率（50-85%）下較差的循環(huán)性能（通常<200小時）形成鮮明對比。當(dāng)與釩基正極匹配時，所得鋅離子電池表現(xiàn)出228 Wh kg-1的超高裝置級能量密度，可與商用鋰離子電池相媲美。
聚合物膠是通過聚環(huán)氧乙烷 (PEO) 和雙（三氟甲磺?；﹣啺蜂囋谟杀投燃淄榻M成的二元溶劑中共溶解制備的，并產(chǎn)生粘性，然后通過簡單的刮刀法將制備的聚合物膠均勻地涂覆在鋅箔上。
如圖1a，制造的對稱電池在5 mA cm-2的高電流下表現(xiàn)出1000小時的高度穩(wěn)定性，并具有超高的Zn利用率。相比之下，由裸Zn制成的對稱電池只能工作一個循環(huán)。在電流密度從2 增加到10 mA cm-2時，改性Zn負極表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能（圖1b）。與之前的報道相比，聚合物膠改性Zn負極提供了迄今為止在超高電流下最高的Zn利用率（90%）且循環(huán)達1000小時（圖1c）。
對稱電池的優(yōu)異倍率性能可歸因于聚合物膠提供的快速Zn2+ 遷移能力。聚合物膠的離子電導(dǎo)率達到 6.18 mS cm-1，與 PEO 相比增加了1400倍，分子動力學(xué)模擬顯示Zn2+的擴散系數(shù)高達1.00×10-5cm2 s-1（圖2a），但水在聚合物膠中的擴散系數(shù)為1.01×10-7cm2 s-1，H2O滲透受到明顯阻礙（圖2b）。標(biāo)準剝離測試證實了聚合物膠和Zn之間的牢固粘附，粘附強度達83 N m-1（圖2c）。
因此，通過抑制水滲透以及粘附緊湊的界面，腐蝕和鈍化受到顯著抑制。如圖3d所示，使用聚合物膠改性Zn負極的腐蝕電流密度比裸鋅低5.25 倍。此外，采用弱酸性ZnSO4電解液中來檢驗聚合物膠的防腐性能，改性Zn負極中沒有觀察到H2氣泡，而在裸Zn上發(fā)現(xiàn)了許多H2氣泡（圖2d）。最后通過測量對稱電池電解液的pH值來監(jiān)測腐蝕速率，在10個循環(huán)中，改性Zn負極的pH值幾乎保持不變，而裸Zn由于強烈腐蝕，pH值增加0.5圖2g~h）。
通過表面分析進一步研究了聚合物膠的抗鈍化特性。改性Zn負極在浸入ZnSO4電解液15天后仍保持良好的金屬光澤，而裸Zn上逐漸產(chǎn)生鈍化層，XRD探測鈍化產(chǎn)物的晶體學(xué)證實了這一點（圖3a）。此外，循環(huán)后裸Zn負極上觀察到 Zn II峰、對應(yīng)于SO42-的O物種和復(fù)雜的S物種，進一步證實了裸Zn的表面鈍化（圖3b~d）。SEM表征顯示改性Zn負極循環(huán)后檢測到均勻的無枝晶表面，這有效地消除了由枝晶生長引起的短路（圖3e），而在循環(huán)的裸Zn負極中觀察到枝晶（圖3f）。此外，通過計時電流法測試探索了獨特的鋅沉積行為，Zn2+ 容易沿負極表面橫向遷移并在突出的活性位點上積累，放大了電場的不均勻性并降低了進一步Zn沉積能壘（圖3g）。
圖4. 基于改性Zn負極的全電池的電化學(xué)性能
以NH4V4O10正極與聚合物膠涂覆改性Zn負極配對組裝了鋅離子全電池。即使在50% 的超高Zn利用率下，改性Zn負極也表現(xiàn)出410 mAh g-1超高比容量。相比之下，裸Zn負極的容量在前幾個循環(huán)中急劇下降（圖4a）。初始容量增長歸因于正極的活化，可能是由于結(jié)晶度和形態(tài)優(yōu)化，Zn的短缺導(dǎo)致最終的電池故障（圖4b）?；诟男訸n負極的全電池在5.0 A g-1下獲得了超過2000次循環(huán)的增強穩(wěn)定性，基于裸Zn負極的全電池在前500次循環(huán)中容量迅速衰減至≈20%（圖4c）。在5.0 A g-1下測得基于改性Zn負極的全電池容量保持率為30%（vs 0.1A g-1），提供了卓越的倍率性能（圖4d）。且該全電池在0.1 A g-1時的能量密度為228 Wh kg-1，在5.0 A g-1時的功率密度為2533 W kg-1，遠遠超過了報道的水系電池（圖4e）。
作者進一步展望了聚合物膠基鋅離子電池的實際應(yīng)用前景。通過將涂有聚合物膠的 Zn 箔（圖5a）夾在“U”形正極中設(shè)計了一個軟包電池，該正極通過在316 不銹鋼網(wǎng)上涂覆NH4V4O10制成（圖5b），制造好的軟包電池可以有效地為智能手機供電（圖5c）。軟包電池在承受 90° 彎曲 1000次循環(huán)后容量保持率仍高達 95%（圖5d），且可以連續(xù)工作并在切割后為液晶顯示器供電（圖5e）。熱成像表明切割過程中溫度保持不變（圖5f）。
總之，作者在Zn負極上設(shè)計了一種新型聚合物膠，在5 mA cm-2的高電流密度下，在 1000小時的超長時間內(nèi)實現(xiàn)90% 的Zn利用率。系統(tǒng)地探索了聚合物膠的工作機制，證明了通過同時阻止水滲透并促進Zn2+ 快速遷移來有效抑制Zn負極的腐蝕和鈍化。此外，聚合物膠限制了Zn2+的橫向積累并促進均勻且無枝晶的 Zn 沉積。因此，由此組裝的全電池表現(xiàn)出超高的能量和功率密度以及長壽命。這項工作代表了開發(fā)下一代高性能水系電池的通用有效策略。
1. Large-area display textiles integrated with functional systems. Nature 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03295-8
2. Scalable production of high-performing woven lithium-ion fibre batteries. Nature 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03772-0
3. Engineering Polymer Glue towards 90% Zinc Utilization for 1000 Hours to Make High-Performance Zn-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202107652
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