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2019-05-06
随着便携式电子设备的迅猛发展，柔性和可穿戴储能系统（例如超级电容器和电池等）受到了广泛的关注。尽管这些储能设备通常可以承受一定的弯曲和拉伸应变，但是仍然存在大形变下容易损坏、性能下降和有毒电解质泄漏等问题。近年来，由于水系锌离子电池（ZIBs）安全性高、成本低廉、理论容量高，因此柔性水系ZIBs受到越来越多的关注。柔性水系ZIBs不可避免地在大变形情况下发生破损甚至断裂，从而导致性能衰减。因此，实现柔性水系ZIBs的自修复能力，使其可以在受到机械损坏后自动恢复性能，从而有效提高器件的使用寿命。
针对上述问题，南开大学化学学院的牛志强研究员团队开发了一种自修复水凝胶电解质。该电解质由聚乙烯醇（PVA）和三氟甲基磺酸锌（Zn(CF3SO3)2）组成。一旦电解质中PVA基水凝胶受到外力作用而破损，PVA链段中大量羟基会形成氢键搭接并自主修复凝胶网络，该修复过程不需要任何外部刺激。而且，该凝胶电解质具有多孔网络结构，有利于离子的传输，所以PVA/Zn(CF3SO3)2凝胶电解质展现出优异的离子电导率。
通过设计器件结构，将水凝胶电解质与正极、负极和隔膜进一步集成组装成一体化的自修复ZIBs，器件经过几次切割/修复后，可完全恢复其电化学性能。这可以有效提高自修复ZIBs的耐用性，延长电池使用寿命，减少浪费和降低成本等。本工作为防止大形变下柔性电池形变而产生破碎提供了新的解决方案，并启发了其他自主自修复电子设备的设计和制造。
相关工作发表Angewandte Chemie International Edition上，文章的第一作者是南开大学博士研究生黄朔，通讯作者为牛志强研究员。
参考文献：Shuo Huang, Fang Wan, Songshan Bi, Jiacai Zhu, Zhiqiang Niu, Jun Chen，A Self-Healing Integrated All-in-One Zinc-Ion Battery ，Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 4313-4317, DOI: 10.1002/anie.201814653
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